CN110226993A - 一种液压缸具有阻尼自动调节功能的单轴假肢膝关节 - Google Patents

Abstract

本发明特别涉及一种液压缸具有重力自动调节阻尼功能的假肢单轴液压膝关节。该液压缸其特征在于；该液压缸功能多体积小，由多个活动缸室、多个活动柱塞及独立的屈膝伸展调节阀外加重力锤自动调节阻尼功能以及相关零部件组成的组合液压缸，该假肢膝关节特点还包括为该液压缸设计的单轴膝关节上连接体、下连接体及其它关节组件组成的单轴液压膝关节。该假肢膝关节的上端与假肢接收腔连接，下端通过小腿连接杆、踝关节与脚板连接。本发明在功能上能够实现起速更快、支撑稳定、步态自然、其液压装置的技术功能给截肢者带来了更多的运动能力和穿戴舒适性。可轻松有效交替下斜坡、上下楼梯等、可自由切换液压缸阻尼模式用于骑单车、划船、体育运动等。

Description

一种液压缸具有阻尼自动调节功能的单轴假肢膝关节

技术领域

本发明属于生物医学工程和康复辅具技术领域，涉及一种具有近似机械智能的假肢液压膝关节，本发明特别涉及一种液压缸具有重力自动调节阻尼功能的假肢单轴液压膝关节。

背景技术

大腿假肢按照驱动方式区分可以分为两种类型：一种是以截肢患者残端为动力源的被动式大腿假肢，一种是由外部动力源驱动关节屈伸的主动式大腿假肢。被动式大腿假肢又可分为普通型和智能型两种。普通型被动式大腿假肢膝关节阻尼力矩大小在安装时设定，难以适应步速等外部环境的变化。智能型被动式大腿假肢通过具有自适应功能的阻尼器，具有很好的动态跟随性和步态对称性，但难以同时实现下斜坡、交替下楼梯等。主动式大腿假肢由外部动力源为假肢膝关节提供伸缩力矩，控制假肢膝关节的屈伸，因此实现被动式大腿假肢难以实现的功能，如可以不借助其它力量站起来，以交替步伐上楼梯等，但其大多数调节阀要靠电能调节来实现其功能，因此假肢膝关节受制于电能的多少。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出一种具有近似机械智能阻尼自动调节功能的假肢膝关节，它不仅具备被动式智能大腿假肢在平地行走时良好的步态对称性和步态跟随性，也具备主动式假肢膝关节能够交替下楼梯、斜坡等优点。本发明兼顾被动式和主动式假肢膝关节的功能优势，能够实现起速更快、支撑稳定、步态自然、可轻松有效交替下斜坡、楼梯等、可自由切换液压缸阻尼模式用于骑单车、划船、体育运动等。

为了达到上述目的，采用的技术方案为：

把液压缸阻尼分成独立的两个阻尼区（油缸2、油缸3与油缸1、油缸5、油缸4）且分工明确互不干涉。油缸1、油缸5与油缸4通过重力锤调节及U型环调节外加预先设置好的Y阻尼通道（见图6）共同实现轻松有效交替下斜坡、楼梯、骑单车、划船、体育运动等。

该假肢膝关节的上关节体上端与假肢接收腔连接，下关节体通过小腿连接管、踝关节与脚板连接，包括具有阻尼自动调节功能的液压缸及假肢膝关节相关组件组成。

所述单轴液压假肢膝关节组件先将缸体内密封ZM2及导向环D2安装好，将柱塞杆3放入柱塞杆1中，将小重力锤Z1及大重力锤Z2及相关组件包括（调整螺钉、U型环、凸轮、X1、X2、柱塞3、M3、T1、T3、连接头等部件）安装在柱塞杆1上，在将柱塞杆1连接柱塞杆2并将柱塞1与柱塞2固定在柱塞杆2的两端并将柱塞3与缸盖2安装在油缸5位置上，通过弹簧T2、弹簧T4使之在缸体里进行往复运动，从而形成油缸1、油缸2、油缸3、油缸4及油缸5，将油缸缸盖及相关组合件包括（F1、D1、ZM3、M1、M2、M4、D3、Q1等部件）安装在缸体上，将连接底座及M5、X4等部件也安装在缸体上，将球阀、弹簧、调节螺钉、调节固定架及相关密封件等部件安装在缸体上，进而形成屈膝伸展独立调节功能及重力锤自动调节阻尼的液压缸（见图2、图3、图4、图5）。

所述单轴液压假肢膝关节将具有阻尼自动调节功能的液压缸通过相关连接部件经连接底座连接在单轴框架下关节体上使之形成一个摆动液压缸，将上关节体通过相关连接部件与下关节体连接使之形成单轴转动，将液压缸通过连接头通过相关连接部件与上关节体连接使之形成完整的单轴液压膝关节（见图7）。

本发明的有益效果为：

本发明中，液压缸通过相关结构设计及重力变化使之成为一款机械智能液压单轴假肢膝关节。该假肢膝关节特点鲜明，功能完备，其液压装置的技术功能给截肢者带来了更多的运动能力和穿戴舒适性。在功能上能够实现起速更快、支撑稳定、步态自然、可轻松有效交替下斜坡、上下楼梯等、可自由切换液压缸阻尼模式用于骑单车、划船、体育运动等。兼顾被动式和主动式假肢膝关节的功能优势。

附图说明:

图1液压缸缸体为实现屈膝伸展独立调节功能原理示意图

图2 屈膝F与伸展E独立调节阀原理示意图

图3液压缸整体外观示意图

图4 液压缸内5个活动缸室分布示意图

图5液压缸内部结构及相关零部件示意图

图8多功能液压缸及单轴膝关节组合示意图

图9液压缸功能示意图

图10液压缸功能示意图

图11液压缸功能示意图

局部放大图

图6重力锤工作原理示意图

图7柱塞杆1内部放大示意图

附图标记说明：

连接头、调整螺钉、凸轮、U型环、缸盖1、缸盖2、缸体、连接底座、柱塞1、柱塞2、柱塞3、柱塞杆1、柱塞杆2、柱塞杆3、调节螺钉、调节固定架、球阀、弹簧、X1（销钉）、X2（销钉）、X3（销钉）、X4（销钉）、M1（密封件）、M2（密封件）、M3（密封件）、M4（密封件）、D1(导向环)、D2(导向环)、D3(缓冲垫)、F1(防尘件)、ZM1(组合油封)、ZM2(组合油封)、ZM3(组合油封)、ZM4(组合油封)、Q1(限位环)、Z1(小重力锤)、Z2(大重力锤)、Z3(开关伞)、T1(弹簧)、T2(弹簧)、T3(弹簧) 、T4(弹簧)及相关零部件组成。

具体实施方式:

本发明提供了一种具有重力自动调节阻尼功能的假肢单轴液压膝关节，下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细的说明。

本发明的整体结构如图8所示，由单轴膝关节上下关节体、液压缸构成了单轴假肢膝关节组件。

通过液压缸独特的孔位结构设计如图1，通过调节螺钉E、F左右旋转可以单独调节伸展阻力和屈曲阻力的大小如图2。

液压缸通过给关节一个相反的运动阻力，开关伞来阻止关节骤然屈膝，起一个动力的支撑期保险的作用。关节通过过分伸直就可以取消液压缸支撑保险的作用，也就是说，这个膝关节液压缸的支撑保险作用在脚跟触地和膝关节轻微弯曲时有效。在支撑期后期脚蹬地时，通过膝关节的过分伸直，这个支撑保险的作用自动取消。因此这个功能可以使步态更自然。

当膝关节轻微弯曲时，开关伞处于图10c位置，如果关节骤然屈膝此时开关伞受力向上封堵住柱塞杆3的过油孔处于图10d位置，此时启动保险作用，使油缸4的液体只能通过Y通道（图6）缓慢进入油缸1与油缸5中。起到了支撑保险和上下楼梯、斜坡等功能。

当膝关节过分伸直时，Z1与Q1接触此时Z2顺时针旋转至X3时处于图9a位置，当关节弯曲时Z3在力的作用下与Z2接触并阻止Z2逆时针旋转（图9b），起到打开保险的作用。当关节运行途中停止时Z3失去力的作用此时不能在阻止Z2在Z1配合下逆时针旋转至X3时处于图10c位置，这时保险装置处于随时启动状态。

通过使用U型环，截肢者可以自由选择特定的支撑期保险状态如图11e、图11f。先将膝关节置于正常状态，同时向上搬动U型环，柱塞杆3在凸轮与X1的作用下向下移动，此时Y通道关闭同时Z3在T3的作用下封堵住柱塞杆3的过油孔，此时膝关节不能弯曲，关节处于锁定状态如图11f。

通过前掌蹬地使膝关节过度伸直，此时Z1与Q1接触此时Z2顺时针旋转至X3，同时向上搬动U型环，柱塞杆3在凸轮与X1的作用下向下移动，此时Y通道关闭同时Z3在T3作用下与Z2发生接触并阻止Z2逆时针旋转，此时柱塞杆3油孔通道畅通，此时膝关节完全不带支撑保险，如图11e。此功能对骑自行车特别有利。

对支撑期保险的控制，通过旋转位于柱塞杆1上的调整螺钉（图5），可以调节控制支撑期保险的运动阻力。

显然，本发明的上述实施仅仅是本发明所作的一种组合方式，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动如利用该液压缸结构将其设计为固定缸与单轴结构框架或多连杆结构框架组合等，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (6)

1.一种液压缸具有阻尼自动调节功能的单轴假肢膝关节，所述液压假肢膝关节组件由上关节体、下关节体、自动调节阻尼液压缸及相关零部件组成；上端与假肢接收腔连接，下端通过小腿连接杆、踝关节与脚板连接，其特征在于；该液压缸由多个活动缸室、多个活动柱塞及独立的屈膝伸展调节阀外加重力锤自动调节阻尼功能以及相关零部件组成的组合液压缸.

所述假肢膝关节液压缸的结构主要由连接头、调整螺钉、凸轮、U型环、缸盖1、缸盖2、缸体、连接底座、柱塞1、柱塞2、柱塞3、柱塞杆1、柱塞杆2、柱塞杆3、调节螺钉、调节固定架、球阀、弹簧、X1（销钉）、X2（销钉）、X3（销钉）、X4（销钉）、M1（密封件）、M2（密封件）、M3（密封件）、M4（密封件）、D1(导向环)、D2(导向环)、D3(缓冲垫)、F1(防尘件)、ZM1(组合油封)、ZM2(组合油封)、ZM3(组合油封)、Q1(限位环)、Z1(小重力锤)、Z2(大重力锤)、Z3(开关伞)、T1(弹簧)、T2(弹簧)、T3(弹簧) 、T4(弹簧)及相关零部件组成。

2.根据权利要求1所述的一种具有液压阻尼自动调节功能的假肢膝关节，其液压缸特征在于， 假肢膝关节在行走时油缸1、油缸5与油缸4的液压阻尼通过重力锤与开关伞的位置发生变化而变化，启动开关保险的作用，油缸2与油缸3的液压阻尼通过调节螺钉进行屈膝和伸展独立调节且不受油缸1、油缸5与油缸4的影响。

3.根据权利要求1或2所述的一种具有液压阻尼自动调节功能的假肢膝关节，其液压缸特征在于，通过重力锤Z1、Z2、Z3之间的配合以及通过膝关节不同状态时搬动U型环对重力锤与开关伞的位置进行调节外加预留的Y阻尼通道（见图6）从而对油缸4与油缸1油缸5之间的液压阻尼产生变化，液压缸可以实现锁死状态、畅通状态，支撑期保险状态等，从而能够实现起速更快、支撑稳定、步态自然、可轻松有效交替下斜坡、上下楼梯等、可自由切换液压缸阻尼模式用于骑单车、划船、体育运动等。

4.根据权利要求1或2、3所述的一种具有液压阻尼自动调节功能的假肢膝关节，其液压缸特征在于，液压缸体通过孔位对调交叉打孔的方法即孔1与孔3通过球阀形成单向油路、孔2与孔4通过球阀形成单向油路（见图1）可以轻松实现单向阀作用，已达到独立调节屈膝伸展功能。

5.根据权利要求1或2、3、4所述的一种具有液压阻尼自动调节功能的假肢膝关节，其液压缸特征在于，通过对液压缸的结构设计，成功的把液压阻尼分成独立的两个阻尼区（油缸2、油缸3与油缸1、油缸5、油缸4）且分工明确互不干涉。

6.根据权利要求1或2、3、4、5所述的一种具有液压阻尼自动调节功能的假肢膝关节，其特征在于液压缸进行了独特的外形设计并且为之匹配设计了单轴假肢膝关节框架（单轴上关节体及带管接头功能的下关节体）组合而成一套完整的单轴液压假肢膝关节。