一种基于电液直驱技术的动力人工脚踝制造技术

本发明专利技术的目的是提供一种基于电液直驱技术的动力人工脚踝，用于帮助膝下截肢患者恢复正常行走能力，包括电液直驱执行机构、小腿假肢、角度传感器、力传感器和控制模块，控制模块分别与角度传感器、力传感器、电液直驱执行机构电信号连接，利用电机带动齿轮泵，齿轮泵驱动液压缸为人体行走的动力跖屈阶段提供动力以及摆动阶段的姿态调整，利用液压系统对控制跖屈阶段以及背屈阶段提供缓冲，通过测量力传感器以及角度传感器的数据，实时判断出人工脚踝所处的姿态，指导人工脚踝的下一步运动。此外，还可进行人工脚踝步速的调节，以适应多种不同的运动速度以及运动需求。

A dynamic artificial ankle based on Electro-hydraulic direct drive technology

The object of the present invention is to provide a power artificial ankle based on Electro-hydraulic direct drive technology, which is used to help patients with knee amputation restore normal walking ability, including electro-hydraulic direct drive actuator, leg prosthesis, angle sensor, force sensor and control module, control module and angle sensor, force sensor, electro-hydraulic direct drive respectively. The electric signal of driving actuator is connected, the gear pump is driven by motor, the hydraulic cylinder is driven by gear pump to provide power and adjust the posture of swaying stage, the hydraulic system is used to buffer the control of the plantar flexion stage and the back flexion stage, and the force sensor and the angle sensor are used to measure the data. The posture of the artificial ankle is judged in real time to guide the next movement of the artificial ankle. In addition, artificial ankle walking speed can be adjusted to adapt to a variety of different speed and sports needs.

【技术实现步骤摘要】
一种基于电液直驱技术的动力人工脚踝
本专利技术涉及机械和液压以及控制技术，具体说就是一种基于电液直驱技术的动力人工脚踝。
技术介绍
基于电液直驱技术的动力人工脚踝是一种重要的踝关节假肢。目前全球共有6.5亿残疾人，约占世界总人口的10％，其中80％分布在发展中国家，而我国现如今有肢体残疾患者约2472万，其中截肢人数226万，有一个庞大的社会群体需要佩戴假肢特别是踝关节假肢。现有的踝关节假肢多为被动型，不能为人体提供动力，使患者需要消耗比健全人多30％以上的精力用于行走，同时在人进行变速行走的时候，被动型踝关节假肢不能主动实时的调整步态和控制扭矩，给人行走带来很大不便。
技术实现思路
基于以上不足之处，本专利技术的目的是提供一种新型的基于电液直驱技术的动力人工脚踝，保留了传统踝关节的阻抗特性，而且还能满足人体踝关节的运动机理，能够产生驱动人体前行的能量，帮助残疾人恢复行走能力。本专利技术所采用的技术如下：一种基于电液直驱技术的动力人工脚踝，包括电液直驱执行机构、小腿假肢、角度传感器、力传感器和控制模块，控制模块分别与角度传感器、力传感器、电液直驱执行机构电信号连接，所述的电液直驱执行机构包括伺服电机、液压缸、双向齿轮泵、液压阀块和蓄能器，液压阀块与液压缸连接，伺服电机和双向齿轮泵固定在液压阀块上，伺服电机与双向齿轮泵通过联轴器连接；液压阀块内安装有三个单向阀、两个节流阀和二位三通电磁换向阀；第一单向阀进油口与第一节流阀出油口相连接；二位三通电磁换向阀出油口与第二节流阀进油口相连接；蓄能器连接在第二单向阀进油口、第三单向阀出油口之间，第二单向阀进油口与第三单向阀出油口连接；双向齿轮泵外卸油口与第三单向阀进油口相连接；双向齿轮泵一端油口分别与二位三通电磁换向阀进油口、第一单向阀出油口、液压缸一端油口相连接；双向齿轮泵另一端油口分别与第二单向阀出油口、第二节流阀出油口、第一节流阀进油口、液压缸另一端油口相连接；所述的小腿假肢单元包括小腿连接架、双耳环、液压缸后端盖、小腿假肢、液压缸前端盖、活塞杆轴端吊环、踝关节轴、足弓、足跟连接架和足跟；小腿连接架与小腿假肢上端固定连接，小腿连接架与双耳环铰接，双耳环与液压缸后端盖固定连接，液压缸安装于液压缸后端盖和液压缸前端盖之间，液压缸的活塞杆通过活塞杆轴端吊环与足弓铰接，足跟与足跟连接架固定连接，足跟连接架通过踝关节轴与足弓铰接；所述的踝关节轴安装有角度传感器，足弓和足跟的底部安装有力传感器，检测所处的步态阶段，通过控制模块控制电液直驱执行机构工作；在被动阶段，由液压缸、液压阀块和蓄能器提供阻尼，吸震缓冲，在主动阶段，利用电液直驱系统为人工脚踝提供动力，驱动人体前进，同时检测步速，使假肢跟随健肢协调运动。本专利技术还具有如下技术特征：一种基于电液直驱技术的动力人工脚踝的运动过程如下：控制跖屈：后足跟先着地，此时伺服电机不工作，人工脚踝处于被动状态，第一节流阀、第一单向阀、液压缸组成闭合回路，第一节节流阀阻尼大，对此时液压缸的活塞杆的运动起缓冲作用，达到控制跖屈阶段足跟着地的吸震缓冲的效果，从足跟着地到整个足弓着地，跖屈角度逐渐增大，到整个足弓着地时达到极大值，此阶段，人工脚踝起缓冲作用，等同于线性弹簧，人工脚踝扭矩与摆动角度正比；背屈阶段：膝盖带动小腿向前运动，活塞杆向下运动，人工脚踝处于被动状态，二位三通阀、节流阀、液压缸组成闭合回路，对此时液压缸中活塞杆的运动起缓冲作用；此时，人工脚踝扭矩与角度呈非线性关系；动力跖屈：油液流经双向齿轮泵的一端出油口、液压缸一端进油口，其另一端出油口流回至双向齿轮泵的另一端进油口，其中补油环节，油液从蓄能器流出，流经第二单向阀，流至双向齿轮泵一端进油口；外卸油环节，油液从双向齿轮泵卸油口流出，流经第三单向阀，流至蓄能器；活塞杆向上运动，足弓压迫地面，地面给足弓一个向上向前的力，直至足弓前部离开地面，完成动力跖屈阶段；摆动阶段：双向齿轮泵和液压缸组合成闭合回路，双向齿轮泵驱动液压缸的活塞杆向下运动，此时人工脚踝在空中摆动，负载小，油路压力小，未设置补油回路，在摆动阶段，人工脚踝达到平衡状态，扭矩接近零，恢复至初始状态，并且为下一次足跟着地做好准备。本专利技术的优点及有益效果如下：一)采用电液直驱技术为人工脚踝提供动力，可满足行走过程中踝关节瞬时大扭矩需求；二)将踝关节步态周期进行相位划分，进行分段控制，实现被动阶段的吸震缓冲以及主动阶段的动力输出和姿态调整；三)此人工脚踝通过液压缸活塞杆的伸出与缩回带动脚板绕着踝关节实现矢状面的转动，通过踝关节处的球面轴承和单耳环处的球铰实现冠状面的内、外翻。四)人工脚踝可根据力和位移传感器的数据进行实时步态监测，判断出所处的步态周期，以此调整电液直驱系统的工作状态，让假肢与健肢之间协调运动，在人体进行变速行走的时候，主动实时调整步态和控制扭矩，方便人行走。附图说明图1是本专利技术中的电液直驱执行机构原理图；图2是本专利技术中的液压阀块示意图；图3为本专利技术中的小腿假肢侧面结构示意图；图4为本专利技术中的小腿假肢立体结构示意图；图5是本专利技术基于电液直驱技术的动力人工脚踝的踝关节步态相位划分示意图。具体实施方式下面根据说明书附图举例对本专利技术做进一步说明：实施例1一种基于电液直驱技术的动力人工脚踝，包括电液直驱执行机构、小腿假肢、角度传感器、力传感器和控制模块，控制模块分别与角度传感器、力传感器、电液直驱执行机构电信号连接，如图1-2所示，所述的电液直驱执行机构包括伺服电机1、液压缸11、双向齿轮泵3、液压阀块和蓄能器5，液压阀块与液压缸11连接，伺服电机1和双向齿轮泵3固定在液压阀块上，伺服电机1与双向齿轮泵3通过联轴器2连接；液压阀块内安装有三个单向阀4.6.10、两个节流阀7.9和二位三通电磁换向阀8；第一单向阀10进油口与第一节流阀9出油口相连接；二位三通电磁换向阀8出油口与第二节流阀7进油口相连接；蓄能器5连接在第二单向阀6进油口、第三单向阀4出油口之间，第二单向阀6进油口与第三单向阀4出油口连接；双向齿轮泵3外卸油口与第三单向阀4进油口相连接；双向齿轮泵3一端油口分别与二位三通电磁换向阀8进油口、第一单向阀10出油口、液压缸11一端油口相连接；双向齿轮泵3另一端油口分别与第二单向阀6出油口、第二节流阀7出油口、第一节流阀9进油口、液压缸11另一端油口相连接；如图3-4所示，所述的小腿假肢单元包括小腿连接架31、双耳环32、液压缸后端盖33、小腿假肢35、液压缸前端盖36、活塞杆轴端吊环38、踝关节轴39、足弓40、足跟连接架41和足跟42；小腿连接架31与小腿假肢35上端固定连接，小腿连接架31与双耳环32铰接，双耳环32与液压缸后端盖33固定连接，液压缸11安装于液压缸后端盖33和液压缸前端盖36之间，液压缸11的活塞杆37通过活塞杆轴端吊环38与足弓40铰接，足跟42与足跟连接架41固定连接，足跟连接架41通过踝关节轴39与足弓40铰接；所述的踝关节轴39安装有角度传感器，足弓40和足跟42的底部安装有力传感器，检测所处的步态阶段，通过控制模块控制电液直驱执行机构工作；在被动阶段，由液压缸11和液压阀块提供阻尼，吸震缓冲，在主动阶段，利用电液直驱系统为人工脚踝提供动力，驱动人体前进，同时检测步速，使假肢跟随健肢协本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于电液直驱技术的动力人工脚踝，包括电液直驱执行机构、小腿假肢、角度传感器、力传感器和控制模块，控制模块分别与角度传感器、力传感器、电液直驱执行机构电信号连接，其特征在于：所述的电液直驱执行机构包括伺服电机、液压缸、双向齿轮泵、液压阀块和蓄能器，液压阀块与液压缸连接，伺服电机和双向齿轮泵固定在液压阀块上，伺服电机与双向齿轮泵通过联轴器连接；液压阀块内安装有三个单向阀、两个节流阀和二位三通电磁换向阀；第一单向阀进油口与第一节流阀出油口相连接；二位三通电磁换向阀出油口与第二节流阀进油口相连接；蓄能器连接在第二单向阀进油口、第三单向阀出油口之间，第二单向阀进油口与第三单向阀出油口连接；双向齿轮泵外卸油口与第三单向阀进油口相连接；双向齿轮泵一端油口分别与二位三通电磁换向阀进油口、第一单向阀出油口、液压缸一端油口相连接；双向齿轮泵另一端油口分别与第二单向阀出油口、第二节流阀出油口、第一节流阀进油口、液压缸另一端油口相连接；所述的小腿假肢单元包括小腿连接架、双耳环、液压缸后端盖、小腿假肢、液压缸前端盖、活塞杆轴端吊环、踝关节轴、足弓、足跟连接架和足跟；小腿连接架与小腿假肢上端固定连接，小腿连接架与双耳环铰接，双耳环与液压缸后端盖固定连接，液压缸安装于液压缸后端盖和液压缸前端盖之间，液压缸的活塞杆通过活塞杆轴端吊环与足弓铰接，足跟与足跟连接架固定连接，足跟连接架通过踝关节轴与足弓铰接；所述的踝关节轴安装有角度传感器，足弓和足跟的底部安装有力传感器，检测所处的步态阶段，通过控制模块控制电液直驱执行机构工作；在被动阶段，由液压缸和液压阀块提供阻尼，吸震缓冲，在主动阶段，利用电液直驱系统为人工脚踝提供动力，驱动人体前进，同时检测步速，使假肢跟随健肢协调运动。...

【技术特征摘要】
1.一种基于电液直驱技术的动力人工脚踝，包括电液直驱执行机构、小腿假肢、角度传感器、力传感器和控制模块，控制模块分别与角度传感器、力传感器、电液直驱执行机构电信号连接，其特征在于：所述的电液直驱执行机构包括伺服电机、液压缸、双向齿轮泵、液压阀块和蓄能器，液压阀块与液压缸连接，伺服电机和双向齿轮泵固定在液压阀块上，伺服电机与双向齿轮泵通过联轴器连接；液压阀块内安装有三个单向阀、两个节流阀和二位三通电磁换向阀；第一单向阀进油口与第一节流阀出油口相连接；二位三通电磁换向阀出油口与第二节流阀进油口相连接；蓄能器连接在第二单向阀进油口、第三单向阀出油口之间，第二单向阀进油口与第三单向阀出油口连接；双向齿轮泵外卸油口与第三单向阀进油口相连接；双向齿轮泵一端油口分别与二位三通电磁换向阀进油口、第一单向阀出油口、液压缸一端油口相连接；双向齿轮泵另一端油口分别与第二单向阀出油口、第二节流阀出油口、第一节流阀进油口、液压缸另一端油口相连接；所述的小腿假肢单元包括小腿连接架、双耳环、液压缸后端盖、小腿假肢、液压缸前端盖、活塞杆轴端吊环、踝关节轴、足弓、足跟连接架和足跟；小腿连接架与小腿假肢上端固定连接，小腿连接架与双耳环铰接，双耳环与液压缸后端盖固定连接，液压缸安装于液压缸后端盖和液压缸前端盖之间，液压缸的活塞杆通过活塞杆轴端吊环与足弓铰接，足跟与足跟连接架固定连接，足跟连接架通过踝关节轴与足弓铰接；所述的踝关节轴安装有角度传感器，足弓和足跟的底部安装有力传感器，检测所处的步态阶段，通过控制模块控制电液直驱执行机构工作；在被动阶段，...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄其涛，罗剑，
申请(专利权)人：黄其涛，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23