本發(fā)明涉及假肢與矯形器技術(shù)領(lǐng)域，涉及了一種主被動相結(jié)合的低功耗踝關(guān)節(jié)假肢的液壓回路系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

當(dāng)今社會，由于交通事故、疾病等原因使得膝下截肢的群體逐漸增多，而對于下肢截肢者目前最常見的補償其行走能力缺陷的方式是輪椅、拐杖和假肢。輪椅占地面積較大，且受限于輪式機器無法到達(dá)的地方，如樓梯行走等。拐杖的使用占用了雙手的功能，降低了穿戴者的身體功能。穿戴假肢可以達(dá)到人體缺失功能的代償，且在裝飾性和行走舒適性等方面具有優(yōu)勢。

目前，踝關(guān)節(jié)假肢的種類很多，按是否有主動驅(qū)動力分類，主要有被動和主動踝關(guān)節(jié)假肢。被動踝關(guān)節(jié)假肢是采用橡膠、碳纖維等材料制作腳板，或在機構(gòu)中引入彈簧等儲能器件使得腳整體具有一定彈性。被動踝關(guān)節(jié)假肢具有機構(gòu)簡單、重量輕、能量消耗低等優(yōu)點，但由于被動踝關(guān)節(jié)假肢無動力源，存在截肢患者行走與正常肢體運動軌跡不匹配問題。主動踝關(guān)節(jié)假肢是在假肢機構(gòu)中引入了電機等主動驅(qū)動器件。主動踝關(guān)節(jié)假肢的主要優(yōu)點是使得穿戴者的步態(tài)較自然，且能適應(yīng)不同路況，但主動式踝關(guān)節(jié)假肢則由于引入了驅(qū)動單元，存在假肢系統(tǒng)重量大、能耗高等缺點。主動踝關(guān)節(jié)假肢因驅(qū)動元件不同，分為電機驅(qū)動踝關(guān)節(jié)假肢和液壓驅(qū)動踝關(guān)節(jié)假肢?，F(xiàn)有的踝關(guān)節(jié)假肢多采用電機驅(qū)動的模式，但是電機驅(qū)動踝關(guān)節(jié)假肢存在響應(yīng)速度慢，輸出轉(zhuǎn)矩不夠的缺點。與之相比液壓驅(qū)動踝關(guān)節(jié)假肢功率密度比大，輸出轉(zhuǎn)矩大，還可以有效減震。因而采用液壓進(jìn)行驅(qū)動，可以顯著提升假肢的性能。而液壓驅(qū)動系統(tǒng)的好壞對于液壓驅(qū)動型踝關(guān)節(jié)假肢的性能有非常大的影響。因此，為了有效提升主動踝關(guān)節(jié)假肢的功率的同時，減輕重量，降低能耗，需要對主動式踝關(guān)節(jié)驅(qū)動單元的液壓回路進(jìn)行設(shè)計。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種結(jié)構(gòu)合理，低功耗、工作性能好的踝關(guān)節(jié)假肢微型液壓驅(qū)動系統(tǒng)，該液壓系統(tǒng)需要能輸出足夠的峰值功率以滿足正常行走的需求，同時能有較低的功耗以滿足對續(xù)航的要求。

一種用于踝關(guān)節(jié)假肢的微型液壓驅(qū)動系統(tǒng)，包括電動機、液壓泵、第一單向閥、第二單向閥、第一蓄能器、第二蓄能器、第一常開開關(guān)閥、第二常開開關(guān)閥、第一常閉開關(guān)閥、第二常閉開關(guān)閥、雙出桿液壓缸；

電動機驅(qū)動液壓泵，液壓泵的出油口通過第一單向閥與第一管路相連接，液壓泵的進(jìn)油口通過第二單向閥與第二管路相連接，第一蓄能器接入第一管路，第二蓄能器接入第二管路，雙出桿液壓缸的上桿腔與第三管路相連，雙出桿液壓缸的下桿腔與第四管路相連，第一常開開關(guān)閥連接在第二管路與第四管路之間，第二常開開關(guān)閥連接在第二管路與第三管路之間，第一常閉開關(guān)閥連接在第一管路和第四管路之間，第二常閉開關(guān)閥連接在第一管路與第三管路之間，通過控制第一常開開關(guān)閥、第二常開開關(guān)閥、第一常閉開關(guān)閥、第二常閉開關(guān)閥使微型液壓驅(qū)動系統(tǒng)在四個工作狀態(tài)下切換，對應(yīng)于單自由度踝關(guān)節(jié)假肢的四個工作周期。

本發(fā)明的優(yōu)點和積極效果是：

(1)本發(fā)明中通過馬達(dá)不停止的工作以及蓄能器的儲能，可以減少對馬達(dá)的峰值功率要求。并在長期步行中降低功耗，以提高續(xù)航能力。

(2)本發(fā)明中所述直流電機和液壓泵在整個運動過程中持續(xù)工作，提高了系統(tǒng)的能量使用效率，避免電機頻繁的啟停與換向，從而提升電機的使用性能和壽命。

(3)本發(fā)明中液壓缸有兩種被動工作狀態(tài)，這段狀態(tài)不消耗系統(tǒng)能量，有利于提高續(xù)航能力。同時，被動模式中，雙出桿液壓缸兩腔導(dǎo)通，可以通過兩腔之間油路的阻尼實現(xiàn)減震的目的。

附圖說明

圖1是本發(fā)明hs階段液壓系統(tǒng)狀態(tài)示意圖；

圖2是本發(fā)明ms階段液壓系統(tǒng)狀態(tài)示意圖；

圖3是本發(fā)明ts階段液壓系統(tǒng)狀態(tài)示意圖；

圖4是本發(fā)明sw階段液壓系統(tǒng)狀態(tài)示意圖。

圖中：

1-第二蓄能器2-第一常開開關(guān)閥3-第二常開開關(guān)閥

4-第三壓力傳感器5-雙出桿液壓缸6-第二壓力傳感器

7-第一常閉開關(guān)閥8-第二常閉開關(guān)閥9-第一壓力傳感器

10-第一蓄能器11-第一單向閥12-液壓泵

13-電動機14-第二單向閥

具體實施方式

下面將結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

本發(fā)明的一種用于踝關(guān)節(jié)假肢的微型液壓驅(qū)動系統(tǒng)，如圖1所示，包括電動機13、液壓泵12、第一單向閥11、第二單向閥14、第一蓄能器10、第二蓄能器1、第一常開開關(guān)閥2、第二常開開關(guān)閥3、第一常閉開關(guān)閥7、第二常閉開關(guān)閥8、雙出桿液壓缸5、第一壓力傳感器9、第二壓力傳感器6、第三壓力傳感器4。

電動機13驅(qū)動液壓泵12，液壓泵12的出油口通過第一單向閥11與第一管路相連接，液壓泵12的進(jìn)油口通過第二單向閥14與第二管路相連接，第一蓄能器10接入第一管路，第二蓄能器1接入第二管路；

雙出桿液壓缸5的上桿腔與第三管路相連，雙出桿液壓缸5的下桿腔與第四管路相連；

第一常開開關(guān)閥2連接在第二管路與第四管路之間，第二常開開關(guān)閥3連接在第二管路與第三管路之間，第一常閉開關(guān)閥7連接在第一管路和第四管路之間，第二常閉開關(guān)閥8連接在第一管路與第三管路之間，

第一壓力傳感器9接入第一管路，第二壓力傳感器6接入第三管路，第三壓力傳感器4接入第四管路；

通過控制第一常開開關(guān)閥2、第二常開開關(guān)閥3、第一常閉開關(guān)閥7、第二常閉開關(guān)閥8使微型液壓驅(qū)動系統(tǒng)在四個工作狀態(tài)下切換，對應(yīng)于單自由度踝關(guān)節(jié)假肢的四個工作周期。

實施例：

本發(fā)明中，液壓泵12采用電動機13(無刷直流電機)控制柱塞泵，液壓泵12的出油口通過第一單向閥11與第一蓄能器10、第一壓力傳感器9、第二常閉開關(guān)閥8、第一常閉開關(guān)閥7相連接；液壓泵12的進(jìn)油口通過第二單向閥14與第二蓄能器1、第一常開開關(guān)閥2、第二常開開關(guān)閥3相連接。雙出桿液壓缸5的上桿腔與第二壓力傳感器6、第二常閉開關(guān)閥8、第二常開開關(guān)閥3相連接。雙出桿液壓缸5的下桿腔與第三壓力傳感器4、第一常閉開關(guān)閥7、第一常開開關(guān)閥2相連接。

本發(fā)明通過控制兩個常開閥和兩個常閉閥使系統(tǒng)在四個工作狀態(tài)下切換。在整個過程中，電動機13與液壓泵12一直處于工作狀態(tài)，通過第二單向閥14從第二蓄能器1吸油，并向第一蓄能器10充高壓油。

(1)狀態(tài)1對應(yīng)于人行走周期的hs(heelstrike)過程，如圖1，此時第一常閉開關(guān)閥7、第二常閉開關(guān)閥8關(guān)閉，第一常開開關(guān)閥2、第二常開開關(guān)閥3開啟，當(dāng)腳跟接觸地面，腳踝假肢在做拓屈運動時，活塞桿跟著腳面的聯(lián)動向上推動，上桿腔的高壓油通過第二常開開關(guān)閥3與第一常開開關(guān)閥2回到下桿腔。

(2)狀態(tài)2對應(yīng)于人行走周期的ms(middlestance)過程，如圖2，第一常閉開關(guān)閥7、第二常閉開關(guān)閥8關(guān)閉，第一常開開關(guān)閥2、第二常開開關(guān)閥3開啟，當(dāng)腳面整個接觸到地面，腳踝假肢在進(jìn)行背屈運動時，活塞桿跟著腳面的聯(lián)動向下推動，下桿腔的高壓油通過第一常開開關(guān)閥2與第二常開開關(guān)閥3回到上桿腔。

(3)狀態(tài)3對應(yīng)于人行走周期的ts(terminalstance)過程，如圖3，當(dāng)背屈進(jìn)行到最大角度時，進(jìn)行主動蹬腳狀態(tài)，此時第一常閉開關(guān)閥7、第二常開開關(guān)閥3開啟，第二常閉開關(guān)閥8、第一常開開關(guān)閥2關(guān)閉。高壓油從蓄能器通過第一常閉開關(guān)閥7到下桿腔，將活塞桿向上推動，使腳踝進(jìn)行拓屈運動，腳面蹬出。

(4)狀態(tài)4對應(yīng)于人行走周期的sw(swing)過程，如圖4，腳踝假肢在主動收腳狀態(tài)時腳面懸空，第二常閉開關(guān)閥8、第一常開開關(guān)閥2開啟，第一常閉開關(guān)閥7、第二常開開關(guān)閥3關(guān)閉，從液壓泵12出來的高壓油，通過第二常閉開關(guān)閥8到上桿腔，將活塞桿向下推動，使腳踝進(jìn)行背屈運動。

通過第一壓力傳感器9可以知道第一蓄能器10的壓力，若是步行速度比較慢，使得蓄能器可以在短時間內(nèi)就能夠充滿足夠的壓力，就可以降低馬達(dá)的功率。

第二壓力傳感器6、第三壓力傳感器4分別檢測上桿腔和下桿腔的壓力。通過這兩個壓力可知輸出是否達(dá)到了正常步行所需要的。