具有膝踝联动功能的主被动驱动假肢液压回路及驱动方法技术

本发明专利技术涉及液压控制技术领域，特别涉及一种具有膝踝联动功能的主被动驱动假肢液压回路及驱动方法，具有膝踝联动功能的主被动驱动假肢液压回路，包括主动驱动电机、液压泵、膝关节三位四通阀、膝关节阀电机、膝关节液压缸、低压蓄能器、踝关节阀电机、踝关节三位四通阀、踝关节液压缸和复位弹簧，具有膝踝联动功能的主被动驱动假肢液压回路的驱动方法通过切换膝关节三位四通阀和踝关节三位四通阀的位置，在站立末期将膝关节液压缸的液压油直接传输到踝关节液压缸，实现膝踝关节的能量传输和直接联动，通过连续比例控制踝关节三位四通阀位置和开口大小，调节膝踝联动刚度，假肢穿戴舒适性高，续航时间长。续航时间长。续航时间长。

【技术实现步骤摘要】
具有膝踝联动功能的主被动驱动假肢液压回路及驱动方法


[0001]本专利技术涉及液压控制
，特别涉及一种具有膝踝联动功能的主被动驱动假肢液压回路及驱动方法。

技术介绍

[0002]假肢帮助截肢者恢复运动能力，重新回归正常的工作和生活，已经成为截肢者不可或缺的一部分，开发先进的智能假肢是主动健康与老龄化科技应对的重要目标之一，膝上截肢者同时缺失膝关节和踝关节，需要更加系统化研究膝踝关节之间的运动和能量传输关系，现有产品已经解决了膝踝关节假肢的一些问题，但仍存在一定缺陷。
[0003]研究表明，人体在行走过程的在站立末期，踝关节在蹬离地面阶段与膝关节之间存在明显的关节角度协同运动以及显著的能量传输。通过能量传输，降低人体行走时的能量消耗。当前，针对膝上截肢患者，绝大多数智能动力下肢假肢的解决方案是将单独工作的膝关节和踝关节串联组成下肢假肢，膝踝关节之间没有能量传输，假肢能耗居高不下。在已公开的产品中，专利号CN110368153A所述液压回路涉及了膝踝之间的能量储存与释放，但回路过于复杂，严重限制了其实际应用。专利公开号CN109764011A所述液压回路通过低压蓄能器实现了能量储存，但并未涉及膝踝关节间的能量传输。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于针对
技术介绍
中，现有下肢假肢能耗高、膝踝关节之间没有能量传输、液压回路复杂等问题，提供一种具有膝踝联动功能的主被动驱动的下肢假肢液压回路。在行走过程中，本专利技术利用两个三位四通液压阀在站立末期实现膝踝关节间的可调的能量传输和协同运动，降低假肢能耗，膝踝关节在其他运动阶段单独工作，结合主被动混合驱动，提高截肢者运动舒适性和稳定性。
[0005]具有膝踝联动功能的主被动驱动假肢液压回路，包括主动驱动电机、液压泵、膝关节三位四通阀、膝关节阀电机、膝关节液压缸、低压蓄能器、踝关节阀电机、踝关节三位四通阀、踝关节液压缸和复位弹簧，主动驱动电机与液压泵直接连接，液压泵的A口与膝关节三位四通阀的T1口连通，液压泵的B口分别与膝关节三位四通阀的B1口、膝关节液压缸下腔连通，膝关节三位四通阀的A1口与膝关节液压缸上腔连通，膝关节三位四通阀的P1口与踝关节三位四通阀的T2口连通，踝关节三位四通阀的P2口与低压蓄能器连通，踝关节三位四通阀的A2口与踝关节液压缸上腔连通，踝关节三位四通阀的B2口与踝关节液压缸下腔连通，复位弹簧内置于踝关节液压缸下腔并分别与液压活塞下端、液压缸下端盖固连。
[0006]所述膝关节液压缸为单出杆双作用缸，所述踝关节液压缸为双出杆双作用液压缸，所述膝关节三位四通阀由膝关节阀电机连续比例调节阀芯位置和开口大小，所述踝关节三位四通阀由踝关节阀电机连续比例调节阀芯位置和开口大小，所述膝关节三位四通阀和踝关节三位四通阀均为非标准件的液压阀。
[0007]具有膝踝联动功能的主被动驱动假肢液压回路的驱动方法，根据人体步行时膝踝
关节的步态周期特点，将液压回路的工作状态分成六个过程：S1、双足站立状态，膝关节三位四通阀3和踝关节三位四通阀均处于中位，完成膝关节液压缸和踝关节液压缸的锁止；S2、站立前期，膝关节三位四通阀处于下位，踝关节三位四通阀处于下位，在此阶段，膝关节在穿戴者重力作用下被动屈曲，由于膝关节液压缸为单出杆液压缸，活塞向下运动时，膝关节液压缸下腔流出的液压油体积大于流入上腔的体积，膝关节液压缸下腔流出的液压油经过膝关节三位四通阀的B1口和A1口流入膝关节液压缸上腔，同时剩余液压油经膝关节三位四通阀的B1口和P1口、踝关节三位四通阀的T2口和P2口流入低压蓄能器进行储存，踝关节在地面反力作用下被动跖屈，踝关节液压缸下腔流出的液压油经踝关节三位四通阀的B2口和A2口返回踝关节液压缸上腔，复位弹簧处于拉伸状态；S3、站立中期，膝关节三位四通阀处于下位，踝关节三位四通阀处于下位，在此阶段，膝关节在大腿作用下被动伸展，由于膝关节液压缸为单出杆液压缸，活塞向上运动时，膝关节液压缸下腔流入的液压油体积大于流出上腔的体积，膝关节液压缸上腔流出的液压油经过膝关节三位四通阀的A1口和B1口流入膝关节液压缸下腔，同时低压蓄能器内的液压油经踝关节三位四通阀的P2口和T2口、膝关节三位四通阀的P1口和B1口流入膝关节液压缸下腔进行补偿，踝关节在穿戴者重力作用下被动背屈，踝关节液压缸上腔流出的液压油经踝关节三位四通阀的A2口和B2口返回踝关节液压缸下腔，复位弹簧先返回初始位置后最终处于压缩状态；S4、站立末期，膝关节三位四通阀处于下位，踝关节三位四通阀处于上位，在此阶段，膝关节在大腿作用下被动屈曲，由于膝关节液压缸为单出杆液压缸，活塞向下运动时，膝关节液压缸下腔流出的液压油体积大于流入上腔的体积，膝关节液压缸下腔流出的液压油经过膝关节三位四通阀的B1口和A1口流入膝关节液压缸上腔，同时剩余液压油经膝关节三位四通阀的B1口和P1口、踝关节三位四通阀的T2口和A2口流入踝关节液压缸上腔，推动踝关节液压缸使踝关节进行跖屈运动，实现膝踝直接联动，同时可以通过控制踝关节三位四通阀位置和开口大小调节膝踝联动刚度，踝关节在膝踝联动作用下跖屈，踝关节液压缸下腔流出的液压油经踝关节三位四通阀的B2口和P2口流入低压蓄能器进行储存，复位弹簧先返回初始位置后最终处于压缩状态；S5、摆动屈曲期，膝关节三位四通阀处于下位，踝关节三位四通阀处于下位，在此阶段，膝关节在假肢惯性下被动屈曲，由于膝关节液压缸为单出杆液压缸，活塞向下运动时，膝关节液压缸下腔流出的液压油体积大于流入上腔的体积，膝关节液压缸下腔流出的液压油经过膝关节三位四通阀的B1口和A1口流入膝关节液压缸上腔，同时剩余液压油经膝关节三位四通阀的B1口和P1口、踝关节三位四通阀的T2口和P2口流入低压蓄能器进行储存，踝关节在复位弹簧作用下被动背屈，踝关节液压缸上腔流出的液压油经踝关节三位四通阀的A2口和B2口返回踝关节液压缸下腔，复位弹簧压缩量减小但仍处于压缩状态；S6、对应摆动伸展期，膝关节三位四通阀处于上位，踝关节三位四通阀处于下位，在此阶段，主动驱动电机和液压泵工作，膝关节主动伸展，由于膝关节液压缸为单出杆液压缸，活塞向上运动时，膝关节液压缸下腔流入的液压油体积大于流出上腔的体积，膝关节液压缸上腔流出的液压油经过膝关节三位四通阀的A1口和T1口进入液压泵的A口，低压蓄能器内的液压油经踝关节三位四通阀的P2口和T2口、膝关节三位四通阀的P1口和T1口进入液压
泵的A口进行补偿，A口液压油通过主动驱动电机和液压泵增压后经B口进入膝关节液压缸下腔，推动膝关节主动伸展，直至完全伸展时，膝关节三位四通阀切换至中位，主动驱动电机和液压泵同时停止工作，准备下一个步态循环，踝关节在复位弹簧作用下继续被动背屈，踝关节液压缸上腔流出的液压油经踝关节三位四通阀的A2口和B2口返回踝关节液压缸下腔，当踝关节角度为零时，踝关节三位四通阀切换至中位，踝关节锁止，复位弹簧回到初始状态，准备下一个步态循环。
[0008]本专利技术的有益效果：1、本专利技术通过切换膝关节三位四通阀和踝关节三位四通阀的位置，在站立末期将膝关节液压缸的液压油直接传输到踝关节液压本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.具有膝踝联动功能的主被动驱动假肢液压回路，其特征在于：包括主动驱动电机（1）、液压泵（2）、膝关节三位四通阀（3）、膝关节阀电机（4）、膝关节液压缸（5）、低压蓄能器（6）、踝关节阀电机（7）、踝关节三位四通阀（8）、踝关节液压缸（9）和复位弹簧（10），主动驱动电机（1）与液压泵（2）直接连接，液压泵（2）的A口与膝关节三位四通阀（3）的T1口连通，液压泵（2）的B口分别与膝关节三位四通阀（3）的B1口、膝关节液压缸（5）下腔连通，膝关节三位四通阀（3）的A1口与膝关节液压缸（5）上腔连通，膝关节三位四通阀（3）的P1口与踝关节三位四通阀（8）的T2口连通，踝关节三位四通阀（8）的P2口与低压蓄能器（6）连通，踝关节三位四通阀（8）的A2口与踝关节液压缸（9）上腔连通，踝关节三位四通阀（8）的B2口与踝关节液压缸（9）下腔连通，复位弹簧（10）内置于踝关节液压缸（9）下腔并分别与液压活塞下端、液压缸下端盖固连；所述膝关节液压缸（5）为单出杆双作用缸，所述踝关节液压缸（9）为双出杆双作用液压缸，所述膝关节三位四通阀（3）由膝关节阀电机（4）连续比例调节阀芯位置和开口大小，所述踝关节三位四通阀（8）由踝关节阀电机（7）连续比例调节阀芯位置和开口大小，所述膝关节三位四通阀（3）和踝关节三位四通阀（8）均为非标准件的液压阀。2.具有膝踝联动功能的主被动驱动假肢液压回路的驱动方法，所述驱动方法是如权利要求1所述的具有膝踝联动功能的主被动驱动假肢液压回路的驱动方法，其特征在于：根据人体步行时膝踝关节的步态周期特点，将液压回路的工作状态分成六个过程：S1、双足站立状态，膝关节三位四通阀（3）和踝关节三位四通阀（8）均处于中位，完成膝关节液压缸（5）和踝关节液压缸（9）的锁止；S2、站立前期，膝关节三位四通阀（3）处于下位，踝关节三位四通阀（8）处于下位，在此阶段，膝关节在穿戴者重力作用下被动屈曲，由于膝关节液压缸（5）为单出杆液压缸，活塞向下运动时，膝关节液压缸（5）下腔流出的液压油体积大于流入上腔的体积，膝关节液压缸（5）下腔流出的液压油经过膝关节三位四通阀（3）的B1口和A1口流入膝关节液压缸（5）上腔，同时剩余液压油经膝关节三位四通阀（3）的B1口和P1口、踝关节三位四通阀（8）的T2口和P2口流入低压蓄能器（6）进行储存，踝关节在地面反力作用下被动跖屈，踝关节液压缸（9）下腔流出的液压油经踝关节三位四通阀（8）的B2口和A2口返回踝关节液压缸（9）上腔，复位弹簧（10）处于拉伸状态；S3、站立中期，膝关节三位四通阀（3）处于下位，踝关节三位四通阀（8）处于下位，在此阶段，膝关节在大腿作用下被动伸展，由于膝关节液压缸（5）为单出杆液压缸，活塞向上运动时，膝关节液压缸（5）下腔流入的液压油体积大于流出上腔的体积，膝关节液压缸（5）上腔流出的液压油经过膝关节三位四通阀（3）的A1口和B1口流入膝关节液压缸（5）下腔，同时低压蓄能器（6）内的液压油经踝关节三位四通阀（8）的P2口和T2口、膝关节三位四通阀（3）的P1口和B1口流入膝关节液压缸（5）下腔进行补偿，踝关...

【专利技术属性】
技术研发人员：李振男，刘春宝，单绍鹏，韩阳，王显，任雷，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：