CN101716102B - 基于磁流变效应的四连杆假肢膝关节 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于磁流变效应的四连杆假肢膝关节，包括大腿承载部、小腿支撑部、四连杆机构和半主动阻尼力控制组件，所述半主动阻尼力控制组件包括传感器、控制单元、电流驱动器和磁流变阻尼器；采用磁流变阻尼器作为主要的半主动阻尼力控制组件，四连杆机构作为连接机构，该假肢膝关节的阻尼力连续、阻尼逆顺可调，可调范围大、响应快，在微处理器控制下可更好地模拟人体膝关节弯曲的动作，且磁流变阻尼器与假肢膝关节集成为一体，占用空间小，结构更加紧凑，可在此基础上设计比传统结构更加美观的假肢。

Description

基于磁流变效应的四连杆假肢膝关节

技术领域

本发明涉及一种模拟正常人步态的残疾人用的假肢膝关节和双腿机器人膝关节，特别涉及一种基于磁流变效应的四连杆假肢膝关节。

背景技术

现代社会由于疾病或意外事故造成的肢体残疾患者呈逐年增长趋势。对于下肢残疾的病人，传统的辅助器械，如拐杖、轮椅等已无法满足病人的需要，为了让下肢残疾的病人重新获得正常行走的能力，假肢技术成为医疗器械研究的重点。另一方面，为了开发双腿机器人，假肢膝关节也是关键技术之一。其中，假肢膝关节的构造是最重要的假肢结构，为了能使假肢的运动尽量模拟人体膝关节的运动，技术人员做出了许多革新。

现有技术中，主要采用气缸或液压缸作为阻尼力控制组件，但这种结构比较复杂，气缸或液压缸阻尼曲线不够平滑，模拟效果不够理想。基于磁流变效应的磁流变阻尼器是近十年来出现的一种新型的半主动阻尼控制装置。这种阻尼器具有结构简单、阻尼力连续逆顺可调，且阻尼可调范围大、响应快、良好的温度稳定性以及可与微机控制结合等优良特性，而受到广泛关注。目前，磁流变阻尼器已在车辆悬挂系统、斜拉桥拉索振动控制、海洋平台结构的减振及高层建筑的隔振等方面得到了初步的应用，展现出了良好的应用前景。采用磁流变阻尼器作为半主动阻尼力控制组件的假肢膝关节可望取得更好模拟效果。

美国专利US6423098B1公开了一种采用磁流变阻尼器的单轴膝关节，但单轴结构不能很好的模拟人腿膝关节中心的变化，而且磁流变阻尼器单独装配在膝关节上，占用空间大，机构不够紧凑，影响美观。

美国专利US2004/0217324A1、US2006/0074493A1、US2006/0085082A1、US2006/0178753A1、US2006/0197051A1和US7198071B2(中国专利CN1498095A)公开了一种采用转子和定子剪切的磁流变阻尼器的单轴膝关节，同样不能很好地模拟人腿膝关节中心的变化。

德国奥托博克公司申请的专利CN1448116A公开的磁流变减振缸只是独立的装置，没有进行结构集成。

因此，需要一种结构更加紧凑的假肢膝关节，采用磁流变阻尼器作为半主动阻尼力控制组件，阻尼力连续、阻尼逆顺可调，可调范围大、响应快，在微机控制下可更好地模拟人体膝盖弯曲的动作。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种结构更加紧凑的假肢膝关节，采用磁流变阻尼器作为半主动阻尼力控制组件，阻尼力连续、阻尼逆顺可调，可调范围大、响应快，在微机控制下可更好地模拟人体膝盖弯曲的动作。

本发明的基于磁流变效应的四连杆假肢膝关节，包括大腿承载部、小腿支撑部、四连杆机构和半主动阻尼力控制组件，所述大腿承载部和小腿支撑部通过四连杆机构连接；

所述半主动阻尼力控制组件包括传感器、控制单元、电流驱动器和磁流变阻尼器；所述磁流变阻尼器包括缸体、活塞、活塞杆和设置在活塞内的励磁线圈，所述励磁线圈与电流驱动器电连接，缸体内充满磁流变液并与小腿支撑部集成为一体，活塞将缸体分为上缸和下缸，所述上缸和下缸之间设置有节流通道，所述励磁线圈产生的电磁场的磁力线从节流通道中穿过；所述传感器用于监测两腿的角度变化信号和小腿支撑部所受压力信号，并将所述信号输出到控制单元，控制单元输出控制信号到电流驱动器，通过改变电流驱动器输出电流的大小而改变励磁线圈中励磁电流的大小，进而改变节流通道中电磁场的磁场强度；

所述四连杆机构包括集成在大腿承载部下端的上连杆、集成在小腿支撑部上端的下连杆、连接大腿承载部和小腿支撑部的前连杆和后连杆，大腿承载部还通过一根连接杆与活塞杆连接；

所述小腿支撑部上还设置有回位装置，用以将活塞回复到缸体顶部。

进一步，所述前连杆一端与大腿承载部中部枢接，另一端与小腿支撑部前端枢接；所述后连杆一端与大腿承载部后端枢接，另一端与小腿支撑部后端枢接；所述连接杆为曲线连杆，曲线连杆一端与大腿承载部后端枢接，另一端与活塞杆枢接；

进一步，所述活塞下端与缸体底部之间内还设置有一个浮动活塞，所述浮动活塞下端和缸体下部形成气缸，气缸内充有压缩气体，浮动活塞和气缸组成所述回位装置；

进一步，所述节流通道设置于活塞上，节流通道两端分别与上缸和下缸连通，所述活塞沿轴线周向缠绕有励磁线圈；

进一步，所述活塞的外径小于缸体内径，活塞与缸体之间的缝隙形成节流通道，活塞沿轴线周向缠绕有励磁线圈；

进一步，所述节流通道设置于缸体之外，并通过导管分别与所述上缸和下缸连通，沿节流通道轴线周向缠绕有励磁线圈。

本发明的有益效果：通过采用磁流变阻尼器作为主要的半主动阻尼力控制组件，四连杆机构作为连接机构，该假肢膝关节的阻尼力连续、阻尼逆顺可调，可调范围大、响应快，在微处理器控制下可更好地模拟人体膝盖弯曲的动作，且磁流变阻尼器与假肢膝关节集成为一体，即假肢膝关节的小腿支撑部充当磁流变阻尼器的缸体，占用空间小，结构更加紧凑，可在此基础上设计比传统结构更加美观的假肢。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

图1为本发明具体实施例一的结构示意图；

图2为图1的局部放大图；

图3为本发明具体实施例一膝关节弯曲时的结构示意图；

图4为本发明具体实施例二的结构示意图；

图5为图4的局部放大图；

图6为本发明具体实施例三的结构示意图。

具体实施方式

具体实施例一：

如图1所示，本实施例的基于磁流变效应的四连杆假肢膝关节，包括大腿承载部1、小腿支撑部2、四连杆机构和半主动阻尼力控制组件；

所述半主动阻尼力控制组件包括传感器3、控制单元4、电流驱动器5和磁流变阻尼器；其中，磁流变阻尼器包括缸体6、活塞7和活塞杆8，缸体6内充满磁流变液，并设置在小腿支撑部2上与小腿支撑部2集成为一体，活塞7与缸体6滑动配合，如图3所示并将缸体6分为上缸61和下缸62，活塞7上设置有节流通道9，其两端分别与上缸61和下缸62连通；节流通道9的横截面形状为以轴线为中心的环状结构；当然，也可在活塞7上设置至少两个通孔周向均布于活塞7轴线四周，作为节流通道，同样可以实现本发明的目的；活塞7沿轴线周向缠绕有励磁线圈15，励磁线圈15和电流驱动器5电连接，如图2所示，电磁场的磁力线从节流通道9径向穿过，并在活塞内部形成磁场；所述节流通道间隙在运动过程中的一致性和均匀性通过活塞杆与缸体上端孔的配合和活塞与缸体的配合保证。四连杆机构包括集成在大腿承载部1下端的上连杆、集成在小腿支撑部2上端的下连杆、连接大腿承载部1和小腿支撑部2的前连杆10和后连杆11，大腿承载部还通过一根连接杆与活塞杆8连接；其中，前连杆10为一对，前连杆10一端与大腿承载部1中部枢接，另一端与小腿支撑部2前端枢接；后连杆11一端与小腿支撑部2后端枢接，另一端分为两个支叉，两个支叉分别与大腿承载部1后端枢接；所述连接杆为曲线连杆12，曲线连杆12一端从所述两个支叉中穿过并与大腿承载部1后端枢接，另一端与活塞杆2枢接；所述前端、后端是指以人正常状态下面对的方向为前端，背对的方向为后端。

活塞7下端与缸体6底部之间内还设置有一个浮动活塞13，浮动活塞13下端和缸体下部形成气缸63，气缸63内充有压缩气体，浮动活塞13和气缸63组成回位装置，用以将活塞7回复到缸体顶部。

当然，也可在浮动活塞和缸体底部之间设置压缩弹簧取代气缸，由浮动活塞和压缩弹簧组成所述回位装置，同样可以实现本发明的目的。此外，压缩弹簧也并不局限于设置在浮动活塞下端和缸体底部之间，比如，去掉浮动活塞，在活塞杆上设置上弹簧盘，在小腿支撑部上设置下弹簧盘，在两个弹簧盘之间设置压缩弹簧同样可以实现本发明目的，类似变换均属于本领域技术人员非经创造性劳动即可以联想到的，属于等同替换。

大腿承载部上端设置有大腿连接头16，小腿支撑部下端设置有小腿连接座17，大腿连接头16用于连接接受腔，小腿连接座17连接小腿部。

传感器3设置于假肢的接受腔、小腿部和脚上，用于监测两腿之间的角度变化信号和小腿支撑部所受压力信号，并将所述信号输出到控制单元4，控制单元4输出控制信号到电流驱动器5，改变电流驱动器5输出电流的大小而改变励磁线圈15中励磁电流的大小，进而改变节流通道9中电磁场的磁场强度。

本发明使用时，在整个机构不受外力的情况下，活塞位于缸体顶部，使用者在迈步时为假肢膝关节施加一个下压力，如图3所示，曲线连杆推动活塞向下移动，带动前后连杆转动，使小腿支撑部相对于大腿承载部转动，此时，活塞杆杆体在缸体内的体积增大，而磁流变液体积不会发生变化，磁流变液推动浮动活塞向下移动，压缩气缸体积；当腿移动时，使用者施加的下压力消失，浮动活塞下端压强大于其上端压强，浮动活塞向上移动，此时，由于活塞两端存在压强差，活塞下端磁流变液推动活塞回复到缸体顶部，在活塞作用下，曲线连杆带动四连杆机构回到初始位置，带动小腿支撑部伸直；在全过程中，传感器监测两腿的角度变化信号和小腿支撑部所受压力信号，并由控制单元对这些信号进行分析处理，再将运算结果与设定值比较，然后向电流驱动器发出控制信号，调节励磁线圈内电流的强度而改变励磁线圈15中励磁电流的大小，进而改变节流通道中电磁场的强度，控制磁流变阻尼器的阻尼，调节假肢膝关节弯曲和回复的速度，从而模拟人行走的正常步态。

具体实施例二：

如图4所示，本实施例与实施例一的不同点在于，活塞7的外径小于缸体6内径，活塞7与缸体6之间的缝隙形成节流通道9′，活塞7沿轴线周向缠绕有励磁线圈15′，如图5所示，本实施例中，活塞与缸体采用导磁率相同的材料制成，电磁场的磁力线从节流通道9′径向穿过，并经过活塞与缸体壁形成磁场。所述节流通道间隙在运动过程中的一致性和均匀性通过活塞杆与缸体上端孔的配合和活塞与缸体的配合保证。

具体实施例三

如图6所示，本实施例与实施例一的不同点在于，节流通道还可以设置于缸体6之外，并通过导管分别与所述上缸61和下缸62连通，沿节流通道9″轴线周向缠绕有励磁线圈15″，从而控制节流通道内磁流变液的流量。具体结构可采用专利ZL200420033801.X或ZL200410022657.4中所采用的磁流变阀的结构。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖。

Claims (5)

1.一种基于磁流变效应的四连杆假肢膝关节，其特征在于：包括大腿承载部(1)、小腿支撑部(2)、四连杆机构和半主动阻尼力控制组件，所述大腿承载部(1)和小腿支撑部(2)通过四连杆机构连接；

所述四连杆机构包括集成在大腿承载部(1)下端的上连杆、集成在小腿支撑部(2)上端的下连杆、连接大腿承载部(1)和小腿支撑部(2)的前连杆(10)和后连杆(11)，大腿承载部还通过一根连接杆与活塞杆(8)连接；所述前连杆(10)一端与大腿承载部(1)中部枢接，另一端与小腿支撑部(2)前端枢接；所述后连杆(11)一端与大腿承载部(1)后端枢接，另一端与小腿支撑部(2)后端枢接；所述连接杆为曲线连杆(12)，曲线连杆(12)一端与大腿承载部(1)后端枢接，另一端与活塞杆(8)枢接；

所述半主动阻尼力控制组件包括传感器(3)、控制单元(4)、电流驱动器(5)和磁流变阻尼器；所述磁流变阻尼器包括缸体(6)、活塞(7)、活塞杆(8)和励磁线圈(15)，所述励磁线圈(15)与电流驱动器(5)电连接，缸体(6)内充满磁流变液并与小腿支撑部(2)集成为一体，活塞(7)将缸体(6)分为上缸(61)和下缸(62)，所述上缸(61)和下缸(62)之间设置有节流通道(9)，所述励磁线圈(15)产生的电磁场的磁力线从节流通道中穿过；所述传感器(3)用于监测两腿的角度变化信号和小腿支撑部所受压力信号，并将所述角度变化信号和小腿支撑部所受压力信号输出到控制单元(4)，控制单元(4)输出控制信号到电流驱动器(5)，通过改变电流驱动器(5)输出电流的大小而改变励磁线圈(15)中励磁电流的大小，进而改变节流通道(9)中电磁场的磁场强度；

所述小腿支撑部(2)上还设置有回位装置，用以将活塞(7)回复到缸体(6)顶部。

2.根据权利要求1所述的基于磁流变效应的四连杆假肢膝关节，其特征在于：所述活塞(7)下端与缸体(6)底部之间还设置有一个浮动活塞(13)，所述浮动活塞(13)下端和缸体(6)下部形成气缸(63)，气缸(63)内充有压缩气体，浮动活塞(13)和气缸(63)组成所述回位装置。

3.根据权利要求2所述的基于磁流变效应的四连杆假肢膝关节，其特征在于：励磁线圈(15)设置在活塞(7)内，所述节流通道(9)设置于活塞(7)上，节流通道(9)两端分别与上缸(61)和下缸(62)连通，活塞(7)沿轴线周向缠绕有励磁线圈(15)。

4.根据权利要求2所述的基于磁流变效应的四连杆假肢膝关节，其特征在于：励磁线圈(15)设置在活塞(7)内，活塞(7)的外径小于缸体(6)内径，活塞(7)与缸体(6)之间的缝隙形成节流通道(9′)，活塞(7)沿轴线周向缠绕有励磁线圈(15′)。

5.根据权利要求2所述的基于磁流变效应的四连杆假肢膝关节，其特征在于：所述节流通道(9″)设置于缸体(6)之外，并通过导管分别与所述上缸(61)和下缸(62)连通，沿节流通道(9″)轴线周向缠绕有励磁线圈(15″)。

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