一种用于踝关节假肢的微型液压驱动系统

技术领域

本发明涉及假肢与矫形器技术领域，涉及了一种主被动相结合的低功耗踝关节假肢的液压回路系统。

背景技术

当今社会，由于交通事故、疾病等原因使得膝下截肢的群体逐渐增多，而对于下肢截肢者目前最常见的补偿其行走能力缺陷的方式是轮椅、拐杖和假肢。轮椅占地面积较大，且受限于轮式机器无法到达的地方，如楼梯行走等。拐杖的使用占用了双手的功能，降低了穿戴者的身体功能。穿戴假肢可以达到人体缺失功能的代偿，且在装饰性和行走舒适性等方面具有优势。

目前，踝关节假肢的种类很多，按是否有主动驱动力分类，主要有被动和主动踝关节假肢。被动踝关节假肢是采用橡胶、碳纤维等材料制作脚板，或在机构中引入弹簧等储能器件使得脚整体具有一定弹性。被动踝关节假肢具有机构简单、重量轻、能量消耗低等优点，但由于被动踝关节假肢无动力源，存在截肢患者行走与正常肢体运动轨迹不匹配问题。主动踝关节假肢是在假肢机构中引入了电机等主动驱动器件。主动踝关节假肢的主要优点是使得穿戴者的步态较自然，且能适应不同路况，但主动式踝关节假肢则由于引入了驱动单元，存在假肢系统重量大、能耗高等缺点。主动踝关节假肢因驱动元件不同，分为电机驱动踝关节假肢和液压驱动踝关节假肢。现有的踝关节假肢多采用电机驱动的模式，但是电机驱动踝关节假肢存在响应速度慢，输出转矩不够的缺点。与之相比液压驱动踝关节假肢功率密度比大，输出转矩大，还可以有效减震。因而采用液压进行驱动，可以显著提升假肢的性能。而液压驱动系统的好坏对于液压驱动型踝关节假肢的性能有非常大的影响。因此，为了有效提升主动踝关节假肢的功率的同时，减轻重量，降低能耗，需要对主动式踝关节驱动单元的液压回路进行设计。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构合理，低功耗、工作性能好的踝关节假肢微型液压驱动系统，该液压系统需要能输出足够的峰值功率以满足正常行走的需求，同时能有较低的功耗以满足对续航的要求。

一种用于踝关节假肢的微型液压驱动系统，包括电动机、液压泵、第一单向阀、第二单向阀、第一蓄能器、第二蓄能器、第一常开开关阀、第二常开开关阀、第一常闭开关阀、第二常闭开关阀、双出杆液压缸；

电动机驱动液压泵，液压泵的出油口通过第一单向阀与第一管路相连接，液压泵的进油口通过第二单向阀与第二管路相连接，第一蓄能器接入第一管路，第二蓄能器接入第二管路，双出杆液压缸的上杆腔与第三管路相连，双出杆液压缸的下杆腔与第四管路相连，第一常开开关阀连接在第二管路与第四管路之间，第二常开开关阀连接在第二管路与第三管路之间，第一常闭开关阀连接在第一管路和第四管路之间，第二常闭开关阀连接在第一管路与第三管路之间，通过控制第一常开开关阀、第二常开开关阀、第一常闭开关阀、第二常闭开关阀使微型液压驱动系统在四个工作状态下切换，对应于单自由度踝关节假肢的四个工作周期。

本发明的优点和积极效果是：

(1)本发明中通过马达不停止的工作以及蓄能器的储能，可以减少对马达的峰值功率要求。并在长期步行中降低功耗，以提高续航能力。

(2)本发明中所述直流电机和液压泵在整个运动过程中持续工作，提高了系统的能量使用效率，避免电机频繁的启停与换向，从而提升电机的使用性能和寿命。

(3)本发明中液压缸有两种被动工作状态，这段状态不消耗系统能量，有利于提高续航能力。同时，被动模式中，双出杆液压缸两腔导通，可以通过两腔之间油路的阻尼实现减震的目的。

附图说明

图1是本发明HS阶段液压系统状态示意图；

图2是本发明MS阶段液压系统状态示意图；

图3是本发明TS阶段液压系统状态示意图；

图4是本发明SW阶段液压系统状态示意图。

图中：

1-第二蓄能器 2-第一常开开关阀3-第二常开开关阀

4-第三压力传感器 5-双出杆液压缸6-第二压力传感器

7-第一常闭开关阀 8-第二常闭开关阀9-第一压力传感器

10-第一蓄能器11-第一单向阀 12-液压泵

13-电动机14-第二单向阀

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明的一种用于踝关节假肢的微型液压驱动系统，如图1所示，包括电动机13、液压泵12、第一单向阀11、第二单向阀14、第一蓄能器10、第二蓄能器1、第一常开开关阀2、第二常开开关阀3、第一常闭开关阀7、第二常闭开关阀8、双出杆液压缸5、第一压力传感器9、第二压力传感器6、第三压力传感器4。

电动机13驱动液压泵12，液压泵12的出油口通过第一单向阀11与第一管路相连接，液压泵12的进油口通过第二单向阀14与第二管路相连接，第一蓄能器10接入第一管路，第二蓄能器1接入第二管路；

双出杆液压缸5的上杆腔与第三管路相连，双出杆液压缸5的下杆腔与第四管路相连；

第一常开开关阀2连接在第二管路与第四管路之间，第二常开开关阀3连接在第二管路与第三管路之间，第一常闭开关阀7连接在第一管路和第四管路之间，第二常闭开关阀8连接在第一管路与第三管路之间，

第一压力传感器9接入第一管路，第二压力传感器6接入第三管路，第三压力传感器4接入第四管路；

通过控制第一常开开关阀2、第二常开开关阀3、第一常闭开关阀7、第二常闭开关阀8使微型液压驱动系统在四个工作状态下切换，对应于单自由度踝关节假肢的四个工作周期。

实施例：

本发明中，液压泵12采用电动机13(无刷直流电机)控制柱塞泵，液压泵12的出油 口通过第一单向阀11与第一蓄能器10、第一压力传感器9、第二常闭开关阀8、第一常闭开关阀7相连接；液压泵12的进油口通过第二单向阀14与第二蓄能器1、第一常开开关阀2、第二常开开关阀3相连接。双出杆液压缸5的上杆腔与第二压力传感器6、第二常闭开关阀8、第二常开开关阀3相连接。双出杆液压缸5的下杆腔与第三压力传感器4、第一常闭开关阀7、第一常开开关阀2相连接。

本发明通过控制两个常开阀和两个常闭阀使系统在四个工作状态下切换。在整个过程中，电动机13与液压泵12一直处于工作状态，通过第二单向阀14从第二蓄能器1吸油，并向第一蓄能器10充高压油。

(1)状态1对应于人行走周期的HS(Heel Strike)过程，如图1，此时第一常闭开关阀7、第二常闭开关阀8关闭，第一常开开关阀2、第二常开开关阀3开启，当脚跟接触地面，脚踝假肢在做拓屈运动时，活塞杆跟着脚面的联动向上推动，上杆腔的高压油通过第二常开开关阀3与第一常开开关阀2回到下杆腔。

(2)状态2对应于人行走周期的MS(Middle Stance)过程，如图2，第一常闭开关阀7、第二常闭开关阀8关闭，第一常开开关阀2、第二常开开关阀3开启，当脚面整个接触到地面，脚踝假肢在进行背屈运动时，活塞杆跟着脚面的联动向下推动，下杆腔的高压油通过第一常开开关阀2与第二常开开关阀3回到上杆腔。

(3)状态3对应于人行走周期的TS(Terminal Stance)过程，如图3，当背屈进行到最大角度时，进行主动蹬脚状态，此时第一常闭开关阀7、第二常开开关阀3开启，第二常闭开关阀8、第一常开开关阀2关闭。高压油从蓄能器通过第一常闭开关阀7到下杆腔，将活塞杆向上推动，使脚踝进行拓屈运动，脚面蹬出。

(4)状态4对应于人行走周期的SW(Swing)过程，如图4，脚踝假肢在主动收脚状态时脚面悬空，第二常闭开关阀8、第一常开开关阀2开启，第一常闭开关阀7、第二常开开关阀3关闭，从液压泵12出来的高压油，通过第二常闭开关阀8到上杆腔，将活塞杆向下推动，使脚踝进行背屈运动。

通过第一压力传感器9可以知道第一蓄能器10的压力，若是步行速度比较慢，使得蓄能器可以在短时间内就能够充满足够的压力，就可以降低马达的功率。

第二压力传感器6、第三压力传感器4分别检测上杆腔和下杆腔的压力。通过这两个压力可知输出是否达到了正常步行所需要的。