CN108992838B - 一种可控式磁滞阻尼关节康复工具 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机械工程中的机械传动技术领域，具体是一种可控式磁滞阻尼关节康复工具，旨在解决现有缺乏性能可靠的用以提供外加阻尼的关节的技术问题。主要包括与关节两侧连接的壳体和盖体，壳体和盖体之间形成有密闭空间，且填充有磁流变液，壳体或盖体上固定有阻尼码盘，关节转动时，阻尼码盘会随着壳体和盖体旋转，与磁流变液之间形成阻力，这个阻力可通过控制线圈中电流的大小来控制，电流变化影响磁流变液的粘度，从而改变阻尼码盘和磁流变液的阻力，有效改善关节在不同运动角度的受力状况，进而降低恢复训练过程中对人体潜在的损伤，对延长航天员服役时间具有重要的意义。

Description

一种可控式磁滞阻尼关节康复工具

技术领域

本发明涉及机械工程中的机械传动技术领域，具体是一种可控式磁滞阻尼关节康复工具。

背景技术

航天员在太空失重环境下工作负荷减小，使得肌肉受力降低，导致肌肉萎缩和骨丢失等多种不良生理效应。长期失重状态将会引起人体各方面机能的变化，其中最明显的一项生理改变是钙的递增性减少和骨质变化。航天员在恢复训练过程中，关节的康复训练尤为重要，训练方式不当容易造成康复过程中的二次损伤。为了提高关节康复训练的效果，可控式外加阻尼能有效改善关节在不同运动角度的受力状况，进而降低恢复训练过程中对人体潜在的损伤，对延长航天员服役时间具有重要的意义。但现有相关领域缺乏类似的性能可靠的用以提供外加阻尼的关节康复工具。

发明内容

本发明旨在解决现有缺乏性能可靠的用以提供外加阻尼的关节的技术问题。为此，本发明提出一种可控式磁滞阻尼关节康复工具。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种可控式磁滞阻尼关节康复工具，包括以下部件：

壳体组件，包括桶状的壳体、固定在所述壳体底部外侧的用以连接关节一侧的第一把手，所谓“桶状”是指本领域人公知的空心圆柱状且只有一个端板的结构，端板位置为底部，另一端为开口，所谓的底部外侧是指端板的外端面；

盖体组件，包括圆饼状的盖体、固定在所述盖体外端面的用以连接关节另一侧的第二把手，所述壳体的开口的内壁上设置有凹止口，所述盖体的外壁上设置有与所述凹止口配合的凸止口，所述盖体通过所述凸止口支撑在所述壳体的凹止口上；还包括压盖，所述压盖由压环和位于压环外边缘且轴向垂直于压环平面的筒体组成，所述筒体与壳体同轴且固定在壳体的外壁上，所述盖体的外端面设置有与盖体同轴的圆柱状的凸台；还包括推力球轴承，所述推力球轴承的轴圈内壁过盈套装在所述凸台侧壁上、轴圈端面抵接在盖体外端面上、座圈端面抵接在压环上；这里因为盖体要相对壳体旋转，所以采用可承受较大轴向载荷的推力球轴承进行压紧，推力球轴承一般由轴圈、座圈、滚动体、保持架组成，本发明中，轴圈与凸台的侧壁过盈配合，会随着盖体的转动而转动，座圈端面抵接在压环上，通过止口结构压紧且相对壳体固定，压盖和推力球轴承配合实现盖体的压紧且为盖体和壳体的相对转动提供了一个很好的环境；

阻尼结构，包括固定在壳体底部内侧或盖体内端面的与壳体同轴的安装柱，所述安装柱上固定有若干阻尼码盘；还包括填充于所述盖体与壳体之间的磁流变液；磁流变液属可控流体，是智能材料中研究较为活跃的一支，磁流变液是由高磁导率、低磁滞性的微小软磁性颗粒和非导磁性液体混合而成的悬浮体，这种悬浮体在零磁场条件下呈现出低粘度的牛顿流体特性，而在强磁场作用下，则呈现出高粘度、低流动性的Bingham体特性，阻尼码盘正是用以在盖体和壳体相对转动时产生阻力；

线圈结构，包括壳体线圈和盖体线圈，所述壳体的底部外侧设置有环形的第一凹槽，所述凸台的端面上设置有环形的第二凹槽，所述第一凹槽和第二凹槽内外径皆相等且皆与壳体同轴，所述壳体线圈和盖体线圈分别缠绕于所述第一凹槽和第二凹槽中；这里所谓的缠绕于可采取直接或间接的方式，线圈与外部的直流电源连通，通过对电流的控制实现线圈产生磁场大小的控制；

密封结构，包括设于盖体的侧壁和壳体的内壁之间的第一密封圈，第一密封圈主要防止外界的物质进入壳体和盖体所形成的腔体内；还包括对应壳体线圈和盖体线圈设置的两个线圈密封组件，所述线圈密封组件包括固定于第一凹槽或第二凹槽的槽口的环状的线圈密封盖及位于所述线圈密封盖与盖体或壳体之间的第二密封圈，这里第二密封圈可在密封盖的内圈和/或外圈设置。

使用时，将线圈与外界的直流电源接通，产生磁场，将第一把手和第二把手分别连接在人体关节的两侧，当关节两侧相对转动时，第一把手和第二把手相对转动，从而带动壳体和盖体的相对转动，转动时阻尼码盘会与磁流变液之间形成阻力，这个阻力可通过调节电流的大小来控制，这样可对宇航员关节提供外加阻尼，模拟关节在不同运动角度的受力状况，有助于其康复训练。

本发明的有益效果是：本发明提供一种可控式磁滞阻尼关节康复工具，利用了磁流变液在不同磁场状态下的粘稠度不同，与阻尼码盘配合可产生可控的变化阻力，通过把手将这个阻力传递给关节的两侧，可模拟关节在不同运动角度的受力状况，进而降低恢复训练过程中对人体潜在的损伤，具有较好的操作稳定性，对延长航天员服役时间具有重要的意义；同时，本发明的结构简单，结构紧凑，可靠性高。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的两个阻尼码盘和一个套筒的组合结构示意图；

图3是本发明的两个阻尼码盘叠放时的状态图;

图4是本发明的套筒的结构示意图。

具体实施方式

参照图1至图3，本发明的一种可控式磁滞阻尼关节康复工具，包括以下部件：壳体组件，包括桶状的壳体11、固定在所述壳体11底部外侧的用以连接关节一侧的第一把手12，所谓“桶状”是指本领域人公知的空心圆柱状且只有一个端板的结构，端板位置为底部，另一端为开口，所谓的底部外侧是指端板的外端面；盖体组件，包括圆饼状的盖体21、固定在所述盖体21外端面的用以连接关节另一侧的第二把手22，所述壳体11的开口的内壁上设置有凹止口，所述盖体21的外壁上设置有与所述凹止口配合的凸止口，所述盖体21通过所述凸止口支撑在所述壳体11的凹止口上；还包括压盖23，所述压盖23由压环231和位于压环231外边缘且轴向垂直于压环231平面的筒体232组成，所述筒体232与壳体11同轴且固定在壳体11的外壁上，所述盖体21的外端面设置有与盖体21同轴的圆柱状的凸台211；还包括推力球轴承24，所述推力球轴承24的轴圈内壁过盈套装在所述凸台211侧壁上、轴圈端面抵接在盖体21外端面上、座圈端面抵接在压环231上；这里因为盖体21要相对壳体11旋转，所以采用可承受较大轴向载荷的推力球轴承24进行压紧，推力球轴承24一般由轴圈、座圈、滚动体、保持架组成，本发明中，轴圈与凸台211的侧壁过盈配合，会随着盖体21的转动而转动，座圈端面抵接在压环231上，通过止口结构压紧且相对壳体11固定，压盖23和推力球轴承24配合实现盖体21的压紧且为盖体21和壳体11的相对转动提供了一个很好的环境；阻尼结构，包括固定在壳体11底部内侧或盖体21内端面的与壳体11同轴的安装柱31，所述安装柱31上固定有若干阻尼码盘32；还包括填充于所述盖体21与壳体11之间的磁流变液33；磁流变液33属可控流体，是智能材料中研究较为活跃的一支，磁流变液33是由高磁导率、低磁滞性的微小软磁性颗粒和非导磁性液体混合而成的悬浮体，这种悬浮体在零磁场条件下呈现出低粘度的牛顿流体特性，而在强磁场作用下，则呈现出高粘度、低流动性的Bingham体特性，阻尼码盘32正是用以在盖体21和壳体11相对转动时产生阻力；线圈结构，包括壳体线圈41和盖体线圈42，所述壳体11的底部外侧设置有环形的第一凹槽43，所述凸台211的端面上设置有环形的第二凹槽44，所述第一凹槽43和第二凹槽44内外径皆相等且皆与壳体11同轴，所述壳体线圈41和盖体线圈42分别缠绕于所述第一凹槽43和第二凹槽44中；这里所谓的缠绕于可采取直接或间接的方式，线圈与外部的直流电源连通，通过对电流的控制实现线圈产生磁场大小的控制；密封结构，包括设于盖体21的侧壁和壳体11的内壁之间的第一密封圈51，第一密封圈51主要防止外界的物质进入壳体11和盖体21所形成的腔体内；还包括对应壳体线圈41和盖体线圈42设置的两个线圈密封组件，所述线圈密封组件包括固定于第一凹槽43或第二凹槽44的槽口的环状的线圈密封盖52及位于所述线圈密封盖52与盖体21或壳体11之间的第二密封圈53，这里第二密封圈53可在密封盖的内圈和/或外圈设置。使用时，将线圈与外界的直流电源接通，产生磁场，将第一把手12和第二把手22分别连接在人体关节的两侧，当关节两侧相对转动时，第一把手12和第二把手22相对转动，从而带动壳体11和盖体21的相对转动，转动时阻尼码盘32会与磁流变液33之间形成阻力，这个阻力可通过调节电流的大小来控制，这样可对宇航员关节提供外加阻尼，模拟关节在不同运动角度的受力状况，有助于其康复训练。

作为阻尼码盘32的一种优选安装方式，所述安装柱31一体成型于盖体21的内端面，所述安装柱31靠近盖体21的一端径向凸出设置有支撑部311，安装柱31远离盖体21的一端拧有压紧螺母34，所述安装柱31的侧面沿轴向交替套装有若干阻尼码盘32和套筒35、并通过支撑部311和压紧螺母34实现压紧。套筒35的主要作用是将阻尼码盘32沿轴向隔开。这种结构安装简单，且为组装结构，各部分结构易加工，降低了加工难度。容易想到的，本领域人员也可将阻尼码盘32直接轴向相隔固定在安装柱31上，固定采用焊接。卡接等公知结构皆可。

作为阻尼码盘32和套筒35的一种优选配合方式，所述阻尼码盘32设置为圆环盘状，所述阻尼码盘32的外圈周向均布有四个U型缺口321、内圈设置有卡槽322，U型缺口321主要用以增大阻力，所述套筒35的两个端面轴向凸出设置有卡扣351，所述卡扣351伸入所述卡槽322中实现阻尼卡盘与套筒35的周向相对固定，所述安装柱31的侧壁上径向外凸有卡于所述卡槽322中的卡位312。这里的套筒35不但具有将阻尼码盘32隔开的作用，还具有将阻尼码盘32周向限位的作用。进一步的，所述阻尼码盘32设置有四个，所述套筒35设置有三个，位于同一个套筒35的两个端面的卡扣351形成45°圆心角。这样的结构提供的阻尼力较大，调整范围较大，具有较好的操作稳定性。

作为线圈的一种优选固定方式，所述线圈结构还包括位于第一凹槽43和第二凹槽44中的两个线圈安装座45，所述线圈安装座45由环状底盘451和位于环状底盘451内边缘且轴向垂直于环状底盘451平面的绕筒452组成，所述环状底盘451螺栓固定在第一凹槽43或第二凹槽44的槽底，所述线圈缠绕于所述绕筒452的侧壁上。这样可将线圈缠绕至线圈安装座45上后再装入第一凹槽43和第二凹槽44中，便于安装。进一步的，作为线圈密封盖52的一种优选密封方式，所述线圈密封盖52的外边缘螺纹安装在第一凹槽43或第二凹槽44的外侧壁上、内边缘与盖体21或壳体11之间设置有第二密封圈53，这样的结构不但可保障线圈密封盖52固定的牢固性，还可实现线圈密封盖52与盖体21之间的严格密封。

作为压盖23与壳体11的一种优选固定方式，所述壳体11的上部的外壁设置有外止口，所述外止口的根部设置有螺纹，所述筒体232螺纹安装在所述外止口上。这样的结构固定牢固，结构简单，并且筒体232也不会凸于壳体11外部，使用方便。为进一步保障筒体232在壳体11上的牢固固定，所述筒体232与壳体11的侧壁之间通过紧定螺钉6固定。

作为第一把手12和第二把手22的一种优选固定方式，所述第一把手12螺栓固定在壳体11底部外侧，所述第二把手22螺栓固定盖体21外端面，易于拆装。

以上具体结构和尺寸数据是对本发明的较佳实施例进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (9)

1.一种可控式磁滞阻尼关节康复工具，其特征在于，包括以下结构：

壳体组件，包括桶状的壳体（11）、固定在所述壳体（11）底部外侧的用以连接关节一侧的第一把手（12）；

盖体组件，包括圆饼状的盖体（21）、固定在所述盖体（21）外端面的用以连接关节另一侧的第二把手（22），所述壳体（11）的开口的内壁上设置有凹止口，所述盖体（21）的外壁上设置有与所述凹止口配合的凸止口；还包括压盖（23），所述压盖（23）由压环（231）和位于压环（231）外边缘且轴向垂直于压环（231）平面的筒体（232）组成，所述筒体（232）与壳体（11）同轴且固定在壳体（11）的外壁上，所述盖体（21）的外端面设置有与盖体（21）同轴的圆柱状的凸台（211）；还包括推力球轴承（24），所述推力球轴承（24）的轴圈内壁过盈套装在所述凸台（211）侧壁上、轴圈端面抵接在盖体（21）外端面上、座圈端面抵接在压环（231）上；

阻尼结构，包括固定在壳体（11）底部内侧或盖体（21）内端面的与壳体（11）同轴的安装柱（31），所述安装柱（31）上固定有若干阻尼码盘（32）；还包括填充于所述盖体（21）与壳体（11）之间的磁流变液（33）；

线圈结构，包括壳体线圈（41）和盖体线圈（42），所述壳体（11）的底部外侧设置有环形的第一凹槽（43），所述凸台（211）的端面上设置有环形的第二凹槽（44），所述第一凹槽（43）和第二凹槽（44）内外径皆相等且皆与壳体（11）同轴，所述壳体线圈（41）和盖体线圈（42）分别缠绕于所述第一凹槽（43）和第二凹槽（44）中；

密封结构，包括设于盖体（21）的侧壁和壳体（11）的内壁之间的第一密封圈（51）和对应壳体线圈（41）和盖体线圈（42）设置的两个线圈密封组件，所述线圈密封组件包括固定于第一凹槽（43）或第二凹槽（44）的槽口的环状的线圈密封盖（52）及位于所述线圈密封盖（52）与盖体（21）或壳体（11）之间的第二密封圈（53）。

2.根据权利要求1所述的一种可控式磁滞阻尼关节康复工具，其特征在于：所述安装柱（31）一体成型于盖体（21）的内端面，所述安装柱（31）靠近盖体（21）的一端径向凸出设置有支撑部（311），安装柱（31）远离盖体（21）的一端拧有压紧螺母（34），所述安装柱（31）的侧面沿轴向交替套装有若干阻尼码盘（32）和套筒（35）、并通过支撑部（311）和压紧螺母（34）实现压紧。

3.根据权利要求2所述的一种可控式磁滞阻尼关节康复工具，其特征在于：所述阻尼码盘（32）设置为圆环盘状，所述阻尼码盘（32）的外圈周向均布有四个U型缺口（321）、内圈设置有卡槽（322），所述套筒（35）的两个端面轴向凸出设置有卡扣（351），所述卡扣（351）伸入所述卡槽（322）中实现阻尼码盘（32）与套筒（35）的周向相对固定，所述安装柱（31）的侧壁上径向外凸有卡于所述卡槽（322）中的卡位（312）。

4.根据权利要求3所述的一种可控式磁滞阻尼关节康复工具，其特征在于：所述阻尼码盘（32）设置有四个，所述套筒（35）设置有三个，位于同一个套筒（35）的两个端面的卡扣（351）形成45°圆心角。

5.根据权利要求1-4任一项所述的一种可控式磁滞阻尼关节康复工具，其特征在于：所述线圈结构还包括位于第一凹槽（43）和第二凹槽（44）中的两个线圈安装座（45），所述线圈安装座（45）由环状底盘（451）和位于环状底盘（451）内边缘且轴向垂直于环状底盘（451）平面的绕筒（452）组成，所述环状底盘（451）螺栓固定在第一凹槽（43）或第二凹槽（44）的槽底，所述线圈缠绕于所述绕筒（452）的侧壁上。

6.根据权利要求5所述的一种可控式磁滞阻尼关节康复工具，其特征在于：所述线圈密封盖（52）的外边缘螺纹安装在第一凹槽（43）或第二凹槽（44）的外侧壁上、内边缘与盖体（21）或壳体（11）之间设置有第二密封圈（53）。

7.根据权利要求1所述的一种可控式磁滞阻尼关节康复工具，其特征在于：所述壳体（11）的上部的外壁设置有外止口，所述外止口的根部设置有螺纹，所述筒体（232）螺纹安装在所述外止口上。

8.根据权利要求7所述的一种可控式磁滞阻尼关节康复工具，其特征在于：所述筒体（232）与壳体（11）的侧壁之间通过紧定螺钉（6）固定。

9.根据权利要求1所述的一种可控式磁滞阻尼关节康复工具，其特征在于：所述第一把手（12）螺栓固定在壳体（11）底部外侧，所述第二把手（22）螺栓固定盖体（21）外端面。

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