CN111110409B - 一种主被动混合驱动智能假肢膝关节结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及轮椅领域，公开了一种主被动混合驱动智能假肢膝关节结构，用于为使用者提供所需要的阻尼和助力。本发明的一种主被动混合驱动智能假肢膝关节结构包括：假肢本体；控制器安装在假肢本体内；双向阻尼缸，双向阻尼缸具有通过推杆相互隔离的第一腔室和第二腔室；阻尼调节座具有分别与第一腔室和第二腔室连通的伸展液压通道和屈曲液压通道；第一单向阀安装在伸展液压通道内，第二单向阀安装在屈曲液压通道内；阻尼调节阀用于改变液压油的流动方向；直流伺服电机用于带动阻尼调节阀转动；四连杆机构，位于假肢本体的顶端，用于实现使用者的蹲起；驱动机构，安装在假肢本体上并与控制器电性连接。

Description

一种主被动混合驱动智能假肢膝关节结构

技术领域

本发明实施例涉及轮椅领域，尤其涉及一种主被动混合驱动智能假肢膝关节结构。

背景技术

随着下肢截肢患者的增多以及微电子、控制等技术的不断发展，智能下肢假肢逐渐成为康复机器人领域的研究热点。作为下肢假肢系统的核心部件，高性能的膝关节假肢设计仍然是当前假肢设计中的主要技术难点。目前现有的智能假肢膝关节按照关节驱动方式可分为被动型和主动型。被动型假肢膝关节行走时根据外界条件的变化调节膝关节阻尼力矩实现步态调整，但是由于不提供主动力矩，不能辅助患者上楼梯。主动型假肢膝关节能够代替腿部肌肉提供力矩，使佩戴者更好地完成上楼梯等需要主动力矩的行走模式，但存在耗能较大、电池有较大的体积和重量以及续航时间短等缺点。目前在假肢膝关节中调整阻尼的方式主要存在磁流变、气压和液压三种。磁流变智能膝关节是通过改变电流从而改变磁场强度来达到调节阻尼的效果，但是磁流变液黏度变化与磁场密切相关，并且对磁流变液材料要求很高，不易于控制也不易于提升产能。液压和气压都是通过微处理器驱动电机来调节阻尼缸内部阀门开度大小，从而达到调节阻尼的目的，但是气压膝关节支撑性能的稳定性不可靠，容易造成安全事故。

专利号US201100873391A1、专利号105769395A、专利号106726028B、专利号106539633A和专利号107035808A均提出了用于智能膝关节假肢的电控液压阻尼缸结构，但是其本质上均为纯阻尼型，不能在上楼梯、上坡时提供主动力矩。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种主被动混合驱动智能假肢膝关节结构，能够为使用者提供所需要的阻尼和助力。

本发明提供一种主被动混合驱动智能假肢膝关节结构，与控制器电性连接，用于为使用者提供助力，其特征在于，包括：假肢本体，内部为中空结构；双向阻尼缸，安装在假肢本体内部，该双向阻尼缸具有通过推杆相互隔离的第一腔室和第二腔室；阻尼调节座，安装在双向阻尼缸上，具有分别与第一腔室和第二腔室连通的伸展液压通道和屈曲液压通道；第一单向阀，安装在伸展液压通道内，用于防止第二腔室内的液压油倒流；第二单向阀，安装在屈曲液压通道内，用于防止第一腔室内的液压油倒流；阻尼调节阀，与阻尼调节座转动连接，阻尼调节阀具有连通伸展液压通道的第一键形槽以及连通屈曲液压通道的第二键形槽，用于改变所述伸展液压通道和屈曲液压通道的液压油流通面积，从而调节膝关节的伸展阻尼和屈曲阻尼；直流伺服电机，与控制器电性连接，用于带动阻尼调节阀转动；四连杆机构，位于假肢本体的顶端，四连杆机构具有上连杆、该上连杆与假肢本体通过前连杆与后连杆转动连接，推杆连杆，一端与上连杆连接，另一端与双向阻尼缸的推杆连接；驱动机构，安装在假肢本体上并与控制器电性连接，用于对双向阻尼缸提供助力。

在本发明提供的一种主被动混合驱动智能假肢膝关节结构中，还可以具有这样的特征：其中，双向阻尼缸具有：缸体；缸盖，安装在缸体的顶部，用于密封缸体，具有安装孔；推杆，底部设有活塞，该活塞位于缸体内部并与缸体滑动连接，其顶部通过安装孔贯穿缸盖；助伸弹簧，位于第二腔室，该助伸弹簧的一端与活塞相抵，另一端与缸体相抵。

在本发明提供的一种主被动混合驱动智能假肢膝关节结构中，还可以具有这样的特征：其中，驱动机构具有：支撑座，安装在假肢本体内；滚珠丝杠，安装在支撑座上；传动螺母，固定安装在所述滚珠丝杠的螺母上部，传动螺母与双向阻尼缸的推杆转动连接；从动带轮，安装在滚珠丝杠的下部；驱动电机，安装在假肢本体内并与控制器电性连接；主动带轮，安装在驱动电机的转轴上，主动带轮通过传动带对与从动带动进行驱动。

在本发明提供的一种主被动混合驱动智能假肢膝关节结构中，还可以具有这样的特征：其中，磁环固定器，安装在阻尼调节座上；编码器磁环，安装在磁环固定器上并通过编码器读头与控制器电性连接，编码器磁环的转轴与直流伺服电机固定连接。

在本发明提供的一种主被动混合驱动智能假肢膝关节结构中，还可以具有这样的特征，还包括储能器，安装在阻尼调节座，用于调节屈曲液压通道的压力。

在本发明提供的一种主被动混合驱动智能假肢膝关节结构中，还可以具有这样的特征：其中，阻尼调节座上设有用于容纳阻尼调节阀的圆柱形槽口，该圆柱形槽口分别与伸展液压通道和屈曲液压通道连通，该圆柱形槽口的顶部设有用于密封圆柱形槽口的阀门螺纹堵头。

发明的作用与效果

本发明提供的一种主被动混合驱动智能假肢膝关节结构，因为设置了分别设有单向阀的两个液压油通道、设有键形槽的阻尼调节阀、与阻尼调节阀连接的直流伺服电机、以及为双向阻尼缸提供助力的驱动机构，所以本发明的一种主被动混合驱动智能假肢膝关节结构在进行使用时，可以通过驱动机构为双向阻尼缸提供助力，并通过设有单向阀两个液压油通道、阻尼调节阀以及直流伺服电机，调节所需要的阻尼度，从而满足使用者的使用要求。

附图说明

图1为本发明实施例中的一种主被动混合驱动智能假肢膝关节结构的立体图；

图2为本发明实施例中一种主被动混合驱动智能假肢膝关节结构的内部结构示意图；

图3为本发明实施例中双向阻尼缸的示意图；

图4为本发明实施例中驱动机构的示意图；

图5为本发明实施例中双向阻尼缸与阻尼调节座安的示意图；

图6为本发明实施例中A-A处的示意图；以及

图7为本发明实施例中B-B处的剖视图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下结合实施例及附图对本发明作具体阐述。

<实施例>

图1为本发明实施例中的一种主被动混合驱动智能假肢膝关节结构的立体图。图2为本发明实施例中一种主被动混合驱动智能假肢膝关节结构的内部结构示意图。图3为本发明实施例中双向阻尼缸的示意图。图4为本发明实施例中驱动机构的示意图。图5为本发明实施例中双向阻尼缸与阻尼调节座安的示意图。图6为本发明实施例中A-A处的示意图。图7为本发明实施例中B-B处的剖视图。

如图1至图7所示，本实施例提供的一种主被动混合驱动智能假肢膝关节结构100包括：假肢本体1、双向阻尼缸2、阻尼调节座3、第一单向阀4、第二单向阀5、阻尼调节阀6、直流伺服电机7、四连杆机构8、驱动机构9、磁环固定器10、编码器磁环11、编码器读头12以及储能器13。

假肢本体1的内部为中空结构，内部用于容纳控制器、双向阻尼缸2和驱动机构9。四连杆机构8具有上连杆801、前连杆802、后连杆803以及推杆连杆804，其中假肢本体1的上部以及上连接上具有多个安装孔，前连杆802和后连杆803与安装孔相配合，实现上连杆801与假肢本体1转动连接。推杆连杆804的一端与上连杆801转动连接，另一端与驱动机构9相连接。

双向阻尼缸2包括缸体201、缸盖202、推杆203以及助伸弹簧204。缸盖202通过螺纹连接的方式安装在缸体201的顶部，用于对缸体201进行密封。推杆203的底部设有活塞，该活塞位于缸体201内部并与缸体201滑动连接，缸盖202上具有安装孔，推杆203的顶部通过安装孔贯穿缸盖202。其中，缸体201通过推杆203将内部的空腔分割出相互隔离的第一腔室和第二腔室。助伸弹簧204位于第一腔室，该助伸弹簧204的一端与活塞相抵，另一端与缸体201相抵。

阻尼调节座3安装在双向阻尼缸2上，阻尼调节座3具有分别与第一腔室和第二腔室连通的伸展液压通道和屈曲液压通道。在伸展液压通道安装有第一单向阀4，用于防止第二腔室内的液压油倒流。在屈曲液压通道安装有第二单向阀5，用于防止第一腔室内的所述液压油倒流。阻尼调节座3上设有用于容纳阻尼调节阀6的圆柱形槽口，该圆柱形槽口分别与伸展液压通道和屈曲液压通道连通，该圆柱形槽口的顶部设有用于密封圆柱形槽口的阀门螺纹堵头。阻尼调节座3上还具有与屈曲液压通道相连通的圆柱形凹槽，储能器13包括储能器推块1301、储能器弹簧1303、密封圈1302以及螺纹压盖1304，储能器推块1301位于圆柱形凹槽内，密封圈1302安装在储能器推块1301上，用于防止液压油渗出，螺纹压盖1304螺纹连接在圆柱形凹槽上，用于密封圆柱形凹槽，储能器弹簧1303的一端与储能器推块1301相抵，另一端与螺纹压盖1304相抵。当膝关节屈曲，推杆向下运动使液压缸腔室空间变小时，多余的液压油可通过屈曲液压油道进入储能器中，推动储能器推块1301移动，储能器推块1301推动储能器弹簧1303压缩储能，从而吸收屈曲液压通道液压油的压力。阻尼调节座3上设有注油口1305，该注油口与屈曲液压通道相通，用于向液压缸内灌注液压油，该注油口配备有堵头，用于注油后密封注油口。

直流伺服电机7安装在阻尼调节座3，直流伺服电机7的转轴伸入圆柱形槽口与阻尼调节阀6相连接，用于对阻尼调节阀6进行驱动，改变所述伸展液压通道和屈曲液压通道的液压油流通面积，从而调节膝关节的伸展阻尼和屈曲阻尼。

驱动机构9具有支撑座901、滚珠丝杠902、传动螺母903、从动带轮905、驱动电机907、主动带轮904以及传动带906。支撑座安装在假肢本体1内，支撑座上901具有与滚珠丝杠902相配合的螺纹孔，滚珠丝杠902通过螺纹孔安装在支撑座901上，并与支撑座901转动连接。传动螺母903固定安装在滚珠丝杠902的螺母上部并与双向阻尼缸2的推杆203转动连接。从动带轮905安装在滚珠丝杠902的下部。驱动电机907安装在假肢本体1内并与控制器电性连接。主动带轮904安装在驱动电机907的转轴上并通过传动带906对与从动带动905进行驱动。在进行助力时，传动螺母903将滚珠丝杠902的圆周运动转换成直线运动，传动螺母903在直线运动的过程中推动或拉动推杆203上移或下移，推杆203的另一端与推杆连杆804相连接，继而带动四连杆机构8运动。

磁环固定器10安装在阻尼调节座3上。编码器磁环11安装在磁环固定器10上并通过编码器读头12与控制器电性连接，编码器磁环11的转轴与直流伺服电机固定连接。通过编码器磁环11能够准确地读出直流伺服电机7电机轴旋转的角度，便于控制器精确地控制阻尼调节阀6旋转的角度。

当使用者处于上坡或上楼时可以通过驱动机构9产生助力，具体实现过程如下：

1、驱动电机907电机通电转动，在转动的过程中带动主动轮904进行转动，并通过传动带906带动从动轮905进行转动，由于从动轮905与滚珠丝杠902固定连接，所以从动轮905在转动的过程中带动滚珠丝杠902转动。

2、传动螺母903与滚珠丝杠902螺纹连接，并将滚珠丝杠902的圆周运动转换成直线移动。传动螺母903在上移或下移的过程中带动推杆203进行上移或下移，由于推杆203的另一端与四连杆机构8相连接，因此推杆203在上移或下移的过程中带动四连杆机构8运行，从而为使用者提供助力。

在调节阻尼度时：

当膝关节伸展运动时，四连杆机构8带动推杆203向下运动，同时压缩助伸弹簧204进行储能，屈曲液压油通道内的第二单向阀5关闭，液压油通过缸体201的油孔从伸展液压油通道中向上流动，直流伺服电机带动阻尼调节阀6进行转动，第一键形槽与伸展液压油通道的重合面积，进而改变液压油的流通面积，使得膝关节伸展时所受的阻尼力改变。

当膝关节屈曲运动时，助伸弹簧204储存的能量得到释放，为推杆203向上运动提供助力，伸展液压油通道内的第一单向阀4，液压油从屈曲液压油通道中向下流动，直流伺服电机带动阻尼调节阀6进行转动，改变第二键形槽与屈曲液压油通道的重合面积，进而改变液压油的流通面积，使得膝关节屈曲时所受的阻尼力改变。

综上所述，本发明提供一种主被动混合驱动智能假肢膝关节结构，通过驱动电机907电机提供主动力矩，然后通过带传动的方式驱动滚珠丝杠902，再通过传动螺母903的上下运动控制膝关节进行屈服/伸展运动。在平地、下楼梯及下坡等不需要膝关节主动力矩的情况中，由直流伺服电机7控制阻尼调节阀6的角度，控制液压缸的阻尼大小，而提供主动力矩的驱动电机907不工作。在上坡、上楼梯等需要膝关节提供主动力矩的场合中，驱动电机907为膝关节提供主动力矩，使得在各种使用场合中患者都能得到需要的阻尼或者驱动力矩，同时能够减轻电机的电量消耗，增加智能假肢的工作续航能力。

实施例的作用与效果

本实施例提供的一种主被动混合驱动智能假肢膝关节结构，因为设置了分别设有单向阀的两个液压油通道、设有键形槽的阻尼调节阀、与阻尼调节阀连接的直流伺服电机、以及为双向阻尼缸提供助力的驱动机构，所以本发明的一种主被动混合驱动智能假肢膝关节结构在进行使用时，可以通过驱动机构为双向阻尼缸提供助力，并通过设有单向阀两个液压油通道、阻尼调节阀以及直流伺服电机，调节所需要的阻尼度，从而满足使用者的使用要求。

其中，驱动机构通过滚珠丝杠机构和同步带传动，使得驱动电机的传动距离有了很大的提高，并且滚珠丝杠机构和同步带传动效率较高，提高了整机机构的传动效率以及传动精度。

驱动电机为直流伺服电机，省去了离合装置的设计，并且由于采用液压进行驱动，相对于气压缸的支撑方式，在稳定性上有了较大幅度的提高。

在直流伺服电机处加入了编码器，能够准确地读出直流伺服电机轴旋转的角度，同时可以精确地控制阻尼调节阀的角度。

进一步地，在本实施例提供的一种主被动混合驱动智能假肢膝关节结构中，阻尼调节座上安装有储能器，

此外，当患者处于不需要助力时，驱动电机断电，因为采用的伺服电机是不带刹车的，所以断电力矩很小，从而不会影响到对阻尼度的调节。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (5)

1.一种主被动混合驱动智能假肢膝关节结构，与控制器电性连接，用于为使用者提供所需要的阻尼和助力，其特征在于，包括：

假肢本体，内部为中空结构；

双向阻尼缸，安装在所述假肢本体内部，该双向阻尼缸具有通过推杆相互隔离的第一腔室和第二腔室；

阻尼调节座，安装在所述双向阻尼缸上，具有分别与所述第一腔室和所述第二腔室连通的伸展液压通道和屈曲液压通道；

第一单向阀，安装在所述伸展液压通道内，用于防止所述第二腔室内的液压油倒流；

第二单向阀，安装在所述屈曲液压通道内，用于防止所述第一腔室内的所述液压油倒流；

阻尼调节阀，与所述阻尼调节座转动连接，所述阻尼调节阀具有连通所述伸展液压通道的第一键形槽以及连通所述屈曲液压通道的第二键形槽，用于改变所述伸展液压通道和屈曲液压通道的液压油流通面积，从而调节膝关节的伸展阻尼和屈曲阻尼；

直流伺服电机，与所述控制器电性连接，用于带动所述阻尼调节阀转动；

四连杆机构，位于所述假肢本体的顶端，所述四连杆机构具有上连杆、该上连杆与所述假肢本体通过前连杆与后连杆转动连接，推杆连杆，一端与所述上连杆连接，另一端与所述双向阻尼缸的推杆连接；

驱动机构，安装在所述假肢本体上并与所述控制器电性连接，用于对所述双向阻尼缸提供助力；

磁环固定器，安装在所述阻尼调节座上；以及

编码器磁环，安装在所述磁环固定器上并通过编码器读头与所述控制器电性连接，所述编码器磁环的转轴与所述直流伺服电机固定连接。

2.根据权利要求1所述的一种主被动混合驱动智能假肢膝关节结构，其特征在于：

其中，所述双向阻尼缸具有：

缸体；

缸盖，安装在所述缸体的顶部，用于密封所述缸体，具有安装孔；

推杆，底部设有活塞，该活塞位于所述缸体内部并与所述缸体滑动连接，其顶部通过所述安装孔贯穿所述缸盖；

助伸弹簧，位于所述第二腔室，该助伸弹簧的一端与所述活塞相抵，另一端与所述缸体相抵。

3.根据权利要求1所述的一种主被动混合驱动智能假肢膝关节结构，其特征在于：

其中，所述驱动机构具有：

支撑座，安装在所述假肢本体内；

滚珠丝杠，安装在所述支撑座上；

传动螺母，固定安装在所述滚珠丝杠的螺母上部，所述传动螺母与所述双向阻尼缸的推杆转动连接；

从动带轮，安装在所述滚珠丝杠的下部；

驱动电机，安装在所述假肢本体内并与所述控制器电性连接；

主动带轮，安装在所述驱动电机的转轴上，所述主动带轮通过传动带对所述从动带轮进行驱动。

4.根据权利要求1所述的一种主被动混合驱动智能假肢膝关节结构，其特征在于，还包括：

储能器，安装在所述阻尼调节座，用于调节所述屈曲液压通道的压力。

5.根据权利要求1所述的一种主被动混合驱动智能假肢膝关节结构，其特征在于：

其中，所述阻尼调节座上设有用于容纳所述阻尼调节阀的圆柱形槽口，该圆柱形槽口分别与所述伸展液压通道和所述屈曲液压通道连通，该圆柱形槽口的顶部设有用于密封所述圆柱形槽口的阀门螺纹堵头。

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