一种基于三腔液压缸的节能动力踝足假肢及控制方法

本发明属于机械和液压，具体为一种基于三腔液压缸的节能动力踝足假肢及控制方法。

背景技术：

1、目前，全世界约有各类残疾人共计6.5亿。全世界有超过六百万的下肢截肢患者。受限于医疗水平，目前下肢截肢患者只能通过穿戴假肢尽可能的提高生活质量。目前市面上的大多数假肢都是不能够主动出力的被动假肢，在行走过程中，提供一定的弹性或者阻尼。使用被动踝足假肢的人行走缓慢，步幅较短，对于单侧截肢患者则表现出行走姿态不对称、健肢承受较大负荷，需要通过髋关节出力来补偿缺失的能量，会使穿戴被动假肢的人较健全人消耗更多能量。动力踝足假肢是一种先进的技术，能够通过动力源，为行走过程提供动力，同时具有被动式踝关节假肢的弹性或者阻尼，提供吸震缓冲功能，使穿戴假肢者的行走更接近健全人。但又受限于假肢的体积和重量，以及蓄电池的能量密度比，动力踝足假肢的续航能力不足，使用起来造成不便。

2、因此，本申请提出一种可以节省能量，提高动力踝足假肢续航能力的节能动力踝足假肢用以解决上述问题。

技术实现思路

1、本发明研发目的是为了解决现有的动力踝足假肢续航能力不足的问题。在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。

2、本发明的技术方案：

3、方案一：一种基于三腔液压缸的节能动力踝足假肢，包括电液直驱执行机构、小腿假肢和控制模块，控制模块与电液直驱执行机构电信号连接，电液直驱执行机构与小腿假肢建立连接，电液直驱执行机构包括伺服电机、双向齿轮泵、第一蓄能器、第二蓄能器、三腔液压缸和液压阀块，伺服电机与双向齿轮泵连接并安装在液压阀块上，液压阀块上安装有三腔液压缸，三腔液压缸的第二腔和第三腔分别与双向齿轮泵建立连接，液压阀块内设置有第一单向阀和第二单向阀，第一单向阀与第二单向阀之间连接有第一蓄能器，第二蓄能器与三腔液压缸的第一腔建立连接，三腔液压缸的执行端与小腿假肢建立连接。

4、进一步的，所述第一单向阀和第二单向阀的进油口连接，第一蓄能器连接在第一单向阀进油口和第二单向阀进油口之间。

5、进一步的，所述双向齿轮泵的一端油口分别与第一单向阀的出油口以及三腔液压缸的第二腔连接，双向齿轮泵的另一端油口分别与第二单向阀的出油口以及三腔液压缸的第三腔建立连接。

6、进一步的，所述小腿假肢包括足弓、足跟和连接架，连接架底部依次连接有足弓和足跟，连接架通过第一连接架连接轴与活塞杆连接端连接，活塞杆连接端通过活塞杆连接轴与三腔液压缸的活塞杆建立连接，连接架通过第二连接架连接轴与三腔液压缸的缸体铰接。

7、进一步的，所述三腔液压缸的缸体上端面设置有连接块。

8、进一步的，所述液压阀块上安装有第一压力传感器和第二压力传感器，第一压力传感器和第二压力传感器分别与控制模块通过电信号连接。

9、方案二：一种基于三腔液压缸的节能动力踝足假肢的控制方法，该方法是依托于方案一所述的一种基于三腔液压缸的节能动力踝足假肢所实现的，包括以下阶段：

10、控制跖屈：足跟先于足弓着地，双向齿轮泵、三腔液压缸的第二腔、第三腔组成闭合回路，油液依次流经双向齿轮泵的一端出油口，三腔液压缸的第三腔进油口，从第二腔出油口回至双向齿轮泵的另一端进油口，油液从第二蓄能器流出至第一腔，达到控制跖屈足弓着地的效果；

11、背屈阶段：膝盖带动小腿向前运动，三腔液压缸的活塞杆向上运动，活塞随之向上运动，油液依次流经双向齿轮泵的一端出油口、第二腔进油口，从第三腔的出油口回至双向齿轮泵的另一端进油口，第一腔内油液受到压力，流进第二蓄能器，将人体运动过程中的部分能量回收储存至第二蓄能器内；

12、动力跖屈：人工脚踝处于主动状态，油液依次流经双向齿轮泵的一端出油口、第三腔的进油口，从第二腔出油口回至双向齿轮泵的另一端进油口，其中补油环节，油液从第一蓄能器流出，经第一单向阀流向双向齿轮泵的另一端进油口，三腔液压缸的活塞杆向下运动，带动足弓压迫地面，推动假肢向上向前运动直至足弓完全离开地面，在此过程中第二蓄能器将在背屈阶段中储存的能量释放出来，与双向齿轮泵共同提供动力；

13、摆动阶段：油液依次流经双向齿轮泵的一端出油口、第二腔的进油口，从第三腔的出油口回至双向齿轮泵的另一端进油口，驱动三腔液压缸的活塞杆向上运动，将脚踝位置调整至初始状态，关闭第二蓄能器以节省能量。

14、本发明具有以下有益效果：

15、1、本发明的一种基于三腔液压缸的节能动力踝足假肢通过运动过程中的能量回收与释放，可以降低假肢对能量的消耗，与传统电液直驱动力踝足假肢相比可以获得更长的续航能力，三腔液压缸、第一蓄能器和第二蓄能器在动力跖屈中释放能量，可以降低峰值的功率；

16、2、本发明的一种基于三腔液压缸的节能动力踝足假肢在背屈阶段中吸收能量，可以降低伺服电机和双向齿轮泵在此阶段的能量输出，同时还具有吸震缓冲的效果。

技术特征：

1.一种基于三腔液压缸的节能动力踝足假肢，其特征在于：包括电液直驱执行机构、小腿假肢和控制模块，控制模块与电液直驱执行机构电信号连接，电液直驱执行机构与小腿假肢建立连接，电液直驱执行机构包括伺服电机(1)、双向齿轮泵(3)、第一蓄能器(4)、第二蓄能器(7)、三腔液压缸(8)和液压阀块(21)，伺服电机(1)与双向齿轮泵(3)连接并安装在液压阀块(21)上，液压阀块(21)上安装有三腔液压缸(8)，三腔液压缸(8)的第二腔(12)和第三腔(13)分别与双向齿轮泵(3)建立连接，液压阀块(21)内设置有第一单向阀(5)和第二单向阀(6)，第一单向阀(5)与第二单向阀(6)之间连接有第一蓄能器(4)，第二蓄能器(7)与三腔液压缸(8)的第一腔(11)建立连接，三腔液压缸(8)的执行端与小腿假肢建立连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于三腔液压缸的节能动力踝足假肢，其特征在于：所述第一单向阀(5)和第二单向阀(6)的进油口连接，第一蓄能器(4)连接在第一单向阀(5)进油口和第二单向阀(6)进油口之间。

3.根据权利要求2所述的一种基于三腔液压缸的节能动力踝足假肢，其特征在于：所述双向齿轮泵(3)的一端油口分别与第一单向阀(5)的出油口以及三腔液压缸(8)的第二腔(12)连接，双向齿轮泵(3)的另一端油口分别与第二单向阀(6)的出油口以及三腔液压缸(8)的第三腔(13)建立连接。

4.根据权利要求3所述的一种基于三腔液压缸的节能动力踝足假肢，其特征在于：所述小腿假肢包括足弓(14)、足跟(15)和连接架(16)，连接架(16)底部依次连接有足弓(14)和足跟(15)，连接架(16)通过第一连接架连接轴(17)与活塞杆连接端(19)连接，活塞杆连接端(19)通过活塞杆连接轴(20)与三腔液压缸(8)的活塞杆建立连接，连接架(16)通过第二连接架连接轴(18)与三腔液压缸(8)的缸体铰接。

5.根据权利要求4所述的一种基于三腔液压缸的节能动力踝足假肢，其特征在于：所述三腔液压缸(8)的缸体上端面设置有连接块(22)。

6.根据权利要求5所述的一种基于三腔液压缸的节能动力踝足假肢，其特征在于：所述液压阀块(21)上安装有第一压力传感器(9)和第二压力传感器(10)，第一压力传感器(9)和第二压力传感器(10)分别与控制模块通过电信号连接。

7.一种基于三腔液压缸的节能动力踝足假肢的控制方法，该方法是依托于权利要求6所述的一种基于三腔液压缸的节能动力踝足假肢所实现的，其特征在于，包括以下阶段：

技术总结
一种基于三腔液压缸的节能动力踝足假肢及控制方法，属于机械和液压技术领域。本发明解决了现有的动力踝足假肢续航能力不足的问题。本发明的控制模块与电液直驱执行机构电信号连接，电液直驱执行机构与小腿假肢建立连接，电液直驱执行机构的伺服电机与双向齿轮泵连接并安装在液压阀块上，液压阀块上安装有三腔液压缸，三腔液压缸的第二腔和第三腔分别与双向齿轮泵连接，液压阀块内设置有第一单向阀和第二单向阀，第一单向阀与第二单向阀之间连接有第一蓄能器，第二蓄能器与三腔液压缸的第一腔连接，三腔液压缸的执行端与小腿假肢建立连接。本发明的节能动力踝足假肢降低假肢对能量的消耗，与传统电液直驱动力踝足假肢相比可以获得更长的续航能力。

技术研发人员：黄其涛,王继成,李博文
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15