一种气液混合机械关节用自调节阻尼缸

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1.本发明属医疗康复器械技术领域，具体涉及一种气液混合机械关节用自调节阻尼缸。

背景技术：

2.普通被动型膝关节假肢单纯地依靠关节的功能结构和被动元件来保证膝关节正常的运动。人类在行走时，一条腿在膝盖处弯曲，并被抬到地面以上。在下一步态中，为了腿部再次被地面支撑，腿部必须完全伸展。而由于存在末端冲击，如果假体没有减速，就会产生非常明显的噪音和停顿，而且末端冲击也会对假体装置本身的结构原件产生影响而导致损坏。阻尼缸是被动型膝关节假肢的关键部件，可降低机械膝关节在运动过程中的振动和冲击问题。现有膝关节阻尼缸存在体积较大，阻尼调节范围有限等缺点，并且无法针对人体的不同运动状态进行相对的调节。为解决上述问题，则需要设计一款体积小，运动灵活的阻尼缸，以提高关节运动的平稳性和平顺性，并且能够根据不同的运动状态进行实时阻尼调节，模拟出更接近与人体的运动状态。

技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种能提高假肢关节运动性能，对不同运动模式进行实时阻尼调节的气液混合机械关节用自调节阻尼缸。
4.本发明由油缸组件a、双向密封件b、活塞杆组件c、底盖d、电路板e、气缸1、加气阀2和气嘴帽3组成，其中油缸组件a、气缸1、底盖d、加气阀2、气嘴帽3和电路板e自上而下顺序排列；油缸组件a中油缸5的上部外圈经密封圈与气缸1的上端口滑动连接；油缸5的下端与双向密封件b的上盘6上面固接；活塞杆组件c的耐磨环15位于油缸5中，耐磨环15的外圈经密封圈与油缸5的内圈滑动连接；活塞杆组件c中活塞杆16穿过双向密封件b的中心孔，活塞杆16下端与底盖d的中心孔ⅱ28固接；油缸组件a的油缸5和双向密封件b位于气缸1中，双向密封件b的上盘6外圈经密封圈ⅱ9与气缸1的内圈滑动连接；双向密封件b的中心孔经密封圈ⅰ8与活塞杆16的外圈滑动连接；气缸1的下端固接于底盖d的上面；电路板e固接于底盖d的下面；加气阀2经气嘴帽3固接于底盖d的下管29中。
5.所述的油缸组件a由吊耳4和油缸5组成，吊耳4设于油缸5上端。
6.所述的双向密封件b由上盘6、下盘7、密封圈ⅰ8和密封圈ⅱ9组成，上盘6和下盘7上下排列并固接，密封圈ⅰ8设于下盘7内圈；密封圈ⅱ9设于上盘6外圈。
7.所述的活塞杆组件c由单向阀ⅰ10、单向阀ⅱ11、单向阀ⅲ12、单向阀ⅳ13、耐磨环15、活塞杆16、电机17、调节阀18和密封圈ⅲ21组成，其中耐磨环15固接于活塞杆16上端，耐磨环15上方设有中心孔ⅰ14、右下油口22、前上油口23、左下油口24和后上油口25；活塞杆16下部设有电机仓26，活塞杆16的电机仓26上端前后两侧分别设有调节孔ⅰ19和调节孔ⅱ20；耐磨环15的中心孔ⅰ14与活塞杆16的调节孔ⅰ19和调节孔ⅱ20连通；电机17固接于电机仓26，电机17的上端输出轴与调节阀18下端固接；单向阀ⅰ10固接于右下油口22；单向阀ⅱ11
固接于前上油口23；单向阀ⅲ12固接于左下油口24；单向阀ⅳ13固接于后上油口25；密封圈ⅲ21固接于中心孔ⅰ14内壁，且于调节孔ⅰ19和调节孔ⅱ20下部，并与调节阀18的圆周滑动连接。
8.所述的底盖d为凹形圆盘，其上设有中心孔ⅱ28，左侧设有孔ⅰ27，右侧设有孔ⅱ30，底面前部设有下管29。
9.所述的调节阀18由阀座31、扇形槽ⅱ32和扇形槽ⅰ33组成，阀座31下端设有内六角盲孔34，扇形槽ⅱ32和扇形槽ⅰ33对称设置，并固接于阀座31上端。
10.所述的电路板e内置stm32芯片处理器35、电机驱动芯片36、电源接口37、惯性传感器imu38、压力传感器模块39、速度传感器模块40和通信接口41，其中经电源接口30外接电源。
11.本发明的有益效果在于：
12.(1)阻尼缸结构紧凑，质量较小。由于气体的可压缩特性，可以避免假肢触地期的末端撞击，在腿部达到完全伸展之前放慢速度，且气体压强可通过充放气调节，调节范围更大，操作简便。由于液体的不可压缩性，液压缸部分能承受更大的压力，可以使活塞杆速度平稳地变化，调速范围大，操作方便。
13.(2)缸体内部活塞组件设计有一个可调阀门，为单通道双向可调阀门的结构，一条油路以实现双向独立阻尼调节，调节油路结构和阀门的空间结构，适应不同患者不同运动状态下，关节所需的不同阻尼力，接近人体膝关节的运动，获得相对平稳的运动。
14.(3)在不同运动状态时，如上楼梯、下楼梯、上坡、下坡、行走、站立等运动状态，电路板上的传感器会收集人体运动时的物理信号，经过相应算法处理，判定运动状态，实时调节阻尼缸产生的阻尼力，使关节运动更加灵活，提升了患者的使用体验，又提高了假肢的安全性。
附图说明
15.图1为气液混合机械关节用自调节阻尼缸的爆炸图；
16.图2为气液混合机械关节用自调节阻尼缸的立体图；
17.图3为气液混合机械关节用自调节阻尼缸的剖视图；
18.图4为油缸组件a的立体图；
19.图5为双向密封件b的剖视图；
20.图6为活塞杆组件c的立体图；
21.图7为活塞杆组件c的ⅰ剖视图；
22.图8为活塞杆组件c的ⅱ剖视图；
23.图9为活塞杆16的立体图；
24.图10为活塞杆16的ⅰ剖视图；
25.图11为活塞杆16的ⅱ剖视图；
26.图12为底盖d的立体图；
27.图13为调节阀18的主视图；
28.图14为调节阀18的俯视图；
29.图15为调节阀18的仰视图；
30.图16为电路板e的模块简图；
31.图17为气液混合机械关节用自调节阻尼缸的ⅰ截面标记示意图；
32.图18为气液混合机械关节用自调节阻尼缸的ⅱ截面标记示意图；
33.图19为图17中a-a截面当油缸向下运动时的工作油路示意图；
34.图20为图18中b-b截面当油缸向下运动时的工作油路示意图；
35.图21为图18中c-c截面当油缸向下运动时的工作油路示意图；
36.图22为图17中a-a截面当油缸向上运动时的工作油路示意图；
37.图23为图18中b-b截面当油缸向上运动时的工作油路示意图；
38.图24为图18中c-c截面当油缸向上运动时的工作油路示意图；
39.图25为气液混合机械关节用自调节阻尼缸运动状态下的调控流程图；
40.其中：a.油缸组件b.双向密封件c.活塞杆组件d.底盖e.电路板1.气缸2.加气阀3.气嘴帽4.吊耳5.油缸6.上盘7.下盘8.密封圈ⅰ9.密封圈ⅱ10.单向阀ⅰ11.单向阀ⅱ12.单向阀ⅲ13.单向阀ⅳ14.中心孔ⅰ15.耐磨环16.活塞杆17.电机18.调节阀19.调节孔ⅰ20.调节孔ⅱ21.密封圈ⅲ22.右下油口23.前上油口24.左下油口25.后上油口26.电机仓27.左孔28.中心孔ⅱ29.下管30.右孔31.阀座32.扇形槽ⅱ33.扇形槽ⅰ34.内六角盲孔35.stm32芯片处理器36.电机驱动芯片37.电源接口38.惯性传感器imu 39.压力传感器模块40.速度传感器模块41.通信接口。
具体实施方式
41.下面结合附图描述本发明。
42.如图1至图3所示，本发明由油缸组件a、双向密封件b、活塞杆组件c、底盖d、电路板e、气缸1、加气阀2和气嘴帽3组成，其中油缸组件a、气缸1、底盖d、加气阀2、气嘴帽3和电路板e自上而下顺序排列；油缸组件a中油缸5的上部外圈经密封圈与气缸1的上端口滑动连接；油缸5的下端与双向密封件b的上盘6上面固接；活塞杆组件c的耐磨环15位于油缸5中，耐磨环15的外圈经密封圈与油缸5的内圈滑动连接；活塞杆组件c中活塞杆16穿过双向密封件b的中心孔，活塞杆16下端与底盖d的中心孔ⅱ28固接；油缸组件a的油缸5和双向密封件b位于气缸1中，双向密封件b的上盘6外圈经密封圈ⅱ9与气缸1的内圈滑动连接；双向密封件b的中心孔经密封圈ⅰ8与活塞杆16的外圈滑动连接；气缸1的下端固接于底盖d的上面；电路板e固接于底盖d的下面；加气阀2经气嘴帽3固接于底盖d的下管29中。
43.如图4所示，所述的油缸组件a由吊耳4和油缸5组成，吊耳4设于油缸5上端。
44.如图5所示，所述的双向密封件b由上盘6、下盘7、密封圈ⅰ8和密封圈ⅱ9组成，上盘6和下盘7上下排列并固接，密封圈ⅰ8设于下盘7内圈；密封圈ⅱ9设于上盘6外圈。
45.如图6至图11所示，所述的活塞杆组件c由单向阀ⅰ10、单向阀ⅱ11、单向阀ⅲ12、单向阀ⅳ13、耐磨环15、活塞杆16、电机17、调节阀18和密封圈ⅲ21组成，其中耐磨环15固接于活塞杆16上端，耐磨环15上方设有中心孔ⅰ14、右下油口22、前上油口23、左下油口24和后上油口25；活塞杆16下部设有电机仓26，活塞杆16的电机仓26上端前后两侧分别设有调节孔ⅰ19和调节孔ⅱ20；耐磨环15的中心孔ⅰ14与活塞杆16的调节孔ⅰ19和调节孔ⅱ20连通；电机17固接于电机仓26，电机17的上端输出轴与调节阀18下端固接；单向阀ⅰ10固接于右下油口22；单向阀ⅱ11固接于前上油口23；单向阀ⅲ12固接于左下油口24；单向阀ⅳ13固接于后上
油口25；密封圈ⅲ21固接于中心孔ⅰ14内壁，且于调节孔ⅰ19和调节孔ⅱ20下部，并与调节阀18的圆周滑动连接。
46.如图12所示，所述的底盖d为凹形圆盘，其上设有中心孔ⅱ28，左侧设有孔ⅰ27，右侧设有孔ⅱ30，底面前部设有下管29。
47.如图13至图15所示，所述的调节阀18由阀座31、扇形槽ⅱ32和扇形槽ⅰ33组成，阀座31下端设有内六角盲孔34，扇形槽ⅱ32和扇形槽ⅰ33对称设置，并固接于阀座31上端。
48.如图16所示，所述的电路板e内置stm32芯片处理器35、电机驱动芯片36、电源接口37、惯性传感器imu38、压力传感器模块39、速度传感器模块40和通信接口41，其中经电源接口30外接电源。
49.图17所示，为气液混合机械关节用自调节阻尼缸的ⅰ截面标记示意；
50.图18所示，为气液混合机械关节用自调节阻尼缸的ⅱ截面标记示意；
51.如图19至图21所示，本发明在常规使用中，油缸组件a向下运动时，各个截面的工作油路示意图。油缸组件a向下运动，油的流动方向如图(小箭头所示)。油缸组件a向下运动，气缸1中的气体被压缩，积蓄能量。在液压油的推动下，单向阀ⅰ10、单向阀ⅲ12开启，单向阀ⅱ11、单向阀ⅳ13封闭，油缸组件a油缸5上方的一部分液压油从单向阀ⅰ10、单向阀ⅲ12流入油缸组件a油缸5下方。油缸组件a油缸5上方的另一部分液压油从中心孔ⅰ14流入活塞杆组件c内部，流经调节阀18后，从调节孔ⅰ19、调节孔ⅱ20流入油缸组件a油缸5下方。在此阶段，调节阀18在电机17带动下转动，同时改变扇形槽ⅰ33正对调节孔ⅰ19、扇形槽ⅱ32正对调节孔ⅱ20的横截面积，改变通过调节孔ⅰ19、调节孔ⅱ20液压油出油量，从而进行阻尼调节。
52.如图22至图24所示，本发明在常规使用中，油缸组件a向上运动时，各个截面的工作油路示意图。油缸组件a向上运动，油的流动方向如图(小箭头所示)。气缸1中被压缩气体积蓄的能量释放，油缸组件a向上运动。在液压油的推动下，单向阀ⅰ10、单向阀ⅲ12关闭，单向阀ⅱ11、单向阀ⅳ13开启，油缸组件a油缸5下方的一部分液压油从单向阀ⅱ11、单向阀ⅳ13流入油缸组件a油缸5上方。油缸组件a油缸5下方的另一部分液压油从调节孔ⅰ19、调节孔ⅱ20流入活塞杆组件c内部，流经调节阀18后，从中心孔ⅰ14流入油缸组件a油缸5上方。在此阶段，调节阀18在电机17带动下转动，同时改变扇形槽ⅰ33正对调节孔ⅰ19、扇形槽ⅱ32正对调节孔ⅱ20的横截面积，改变通过调节孔ⅰ19、调节孔ⅱ20液压油入油量，从而进行阻尼调节。
53.如图25所示，当人体开始运动，假肢触地，此时集成于电路板e上的惯性传感器imu 38、速度传感器模块40、压力传感器模块39接受物理信号并转化为电信号，电信号传入到stm32芯片处理器35中。信号在stm32芯片处理器35和算法的处理后传入电机驱动芯片36中，以此使电机转动。调节阀18在电机17带动下转动，以此进行单通道双向的阻尼调节，使人体的运动更加平稳，此时传感器再次进行信号采集，进入循环，完成一个运动周期。针对不同路况和运动状态，相应的算法可以控制电机改变调节阀18的位置，可使智能阻尼缸进入不同的运动模式，使假肢的穿戴使用更加灵活。

技术特征：

1.一种气液混合机械关节用自调节阻尼缸，其特征在于，由油缸组件(a)、双向密封件(b)、活塞杆组件(c)、底盖(d)、电路板(e)、气缸(1)、加气阀(2)和气嘴帽(3)组成，其中所述的油缸组件(a)由吊耳(4)和油缸(5)组成，吊耳(4)设于油缸(5)上端；所述的双向密封件(b)由上盘(6)、下盘(7)、密封圈ⅰ(8)和密封圈ⅱ(9)组成，上盘(6)和下盘(7)上下排列并固接，密封圈ⅰ(8)设于下盘(7)内圈；密封圈ⅱ(9)设于上盘(6)外圈；所述的活塞杆组件(c)由单向阀ⅰ(10)、单向阀ⅱ(11)、单向阀ⅲ(12)、单向阀ⅳ(13)、耐磨环(15)、活塞杆(16)、电机(17)、调节阀(18)和密封圈ⅲ(21)组成，其中所述的调节阀(18)由阀座(31)、扇形槽ⅱ(32)和扇形槽ⅰ(33)组成，耐磨环(15)固接于活塞杆(16)上端，耐磨环(15)上方设有中心孔(14)、右下油口(22)、前上油口(23)、左下油口(24)和后上油口(25)；活塞杆(16)下部设有电机仓(26)，活塞杆(16)的电机仓(26)上端前后两侧分别设有调节孔ⅰ(19)和调节孔ⅱ(20)；耐磨环(15)的中心孔ⅰ(14)与活塞杆(16)的调节孔ⅰ(19)和调节孔ⅱ(20)连通；电机(17)固接于电机仓(26)，电机(17)的上端输出轴与调节阀(18)下端固接；单向阀ⅰ(10)固接于右下油口(22)；单向阀ⅱ(11)固接于前上油口(23)；单向阀ⅲ(12)固接于左下油口(24)；单向阀ⅳ(13)固接于后上油口(25)；密封圈ⅲ(21)固接于中心孔ⅰ(14)内壁，且于调节孔ⅰ(19)和调节孔ⅱ(20)下部，并与调节阀(18)的圆周滑动连接；所述的底盖(d)为凹形圆盘，其上设有中心孔ⅱ(28)，左侧设有孔ⅰ(27)，右侧设有孔ⅱ(30)，底面前部设有下管(29)；所述的底盖(d)为凹形圆盘，其上设有中心孔ⅱ(28)，左侧设有孔ⅰ(27)，右侧设有孔ⅱ(30)，底面前部设有下管(29)；油缸组件(a)、气缸(1)、底盖(d)、加气阀(2)、气嘴帽(3)和电路板(e)自上而下顺序排列；油缸组件(a)中油缸(5)的上部外圈经密封圈与气缸(1)的上端口滑动连接；油缸(5)的下端与双向密封件(b)的上盘(6)上面固接；活塞杆组件(c)的耐磨环(15)位于油缸(5)中，耐磨环(15)的外圈经密封圈与油缸(5)的内圈滑动连接；活塞杆组件(c)中活塞杆(16)穿过双向密封件(b)的中心孔，活塞杆(16)下端与底盖(d)的中心孔ⅱ(28)固接；油缸组件(a)的油缸(5)和双向密封件(b)位于气缸(1)中，双向密封件(b)的上盘(6)外圈经密封圈ⅱ(9)与气缸(1)的内圈滑动连接；双向密封件(b)的中心孔经密封圈ⅰ(8)与活塞杆(16)的外圈滑动连接；气缸(1)的下端固接于底盖(d)的上面；电路板(e)固接于底盖(d)的下面；加气阀(2)经气嘴帽(3)固接于底盖(d)的下管(29)中。2.根据权利要求1所述的气液混合机械关节用自调节阻尼缸，其特征在于，所述的调节阀(18)的阀座(31)下端设有内六角盲孔(34)，扇形槽ⅱ(32)和扇形槽ⅰ(33)对称设置，并固接于阀座(31)上端。3.根据权利要求1所述的气液混合机械关节用自调节阻尼缸，其特征在于，所述的电路板(e)内置stm32芯片处理器(35)、电机驱动芯片(36)、电源接口(37)、惯性传感器imu(38)、压力传感器模块(39)、速度传感器模块(40)和通信接口(41)，其中经电源接口(30)外接电源。

技术总结

一种气液混合机械关节用自调节阻尼缸属医疗康复器械技术领域，本发明的阻尼缸为气液混合型，缸体中设有一个调节阀，并由电机和STM32芯片控制，可针对不同运动状态，实时调节压缩和伸展时的阻尼力，自动切换运动状态；本发明的油缸在外力和气缸的气压作用下，在气缸内上下运动；活塞杆组件中设有单向阀，能控制液压油的单向流动；通过控制调节阀和针对油路的节流面积大小来调节液压缸阻尼力；由气缸中的气体压缩实现蓄能作用；本发明能自动判断运动状态，实现阻尼力双向实时调节以适应不同关节所需，使假肢更加灵活；本发明结构紧凑，可实现机械关节轻量化。现机械关节轻量化。现机械关节轻量化。