CN110711054A - 一种基于磁流变阻尼器的假肢膝关节 - Google Patents

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Abstract

本发明设计了一种磁流变阻尼器的假肢膝关节，包磁流变阻尼器，连杆杆一，连杆杆二，连杆杆三，传感系统，控制系统组成，通过四连杆机构和磁流变阻尼器来模拟人的膝关节运动。通过外加电源来对磁流变阻尼器供电，在帮助截至患者自如行走的同时，更精确得模拟人行走的轨迹，该膝关节结构简单，耗能少，性能完善。控制监测系统能够近似地模拟人体膝关节的运动，运动可控性强而所需工作电压只有几伏，安全性能可靠，相比于传统假肢膝关节损耗小；与传统的假肢膝关节采用用弹性元件与储能元件(液压缸或气压缸)引起的体积笨重、耗能高等缺陷相比，而本发明提出的基于磁流变阻尼器的假肢膝关节更为轻便，效率高。

Description

一种基于磁流变阻尼器的假肢膝关节
技术领域
本发明专利涉及一种应用于膝上截肢患者的步行辅助装置，特别是一种基于可控磁流变阻尼器的五连杆假肢膝关节。
背景技术
目前，随着机械设备化的快速更迭，交通意外及自然灾害的频发，截肢患者的数量急剧上升。对于下肢残疾的患者，由于肢体再生技术目前还无法实现，利用技术手段帮助截肢者重返正常生活则成为补偿其运动功能的唯一可实现途径。随着人类社会的飞速发展，人们生活水平和对生活品质的追求都发生了巨大的变化，对假肢膝关节的要求不再限于单纯的辅助运动机构，对假肢膝关节的功能多样性、穿戴舒适度及美观性等有了更高的选择标准，智能化、功能更加全面完善的智能假肢膝关节成为了截肢患者急切的需求。然而现有的假肢产品舒适性欠缺，与正常人体自然、协调的步态相比，存在较大的差距。为适应人体步态的最佳模拟要求，使控制频率和阻尼等参数均可调节，以能实现“最佳模拟”的假肢膝关节就成了当务之急。
磁流变阻尼器依靠磁场条件下磁流变液的力学特性(屈服应力的可控制特性)调节阻尼，无需机械结构的控制，有效的减小在假肢膝关节内的占用体积，同时阻尼力逆顺可调，反应迅速灵敏，因而该阻尼器能够达到更精准的控制效果，又能够与微机控制相结合。目前，磁流变阻尼器初步应用在车辆、斜拉桥拉索、海洋平台结构等方面的减振，表现出广阔的应用前景和巨大的市场前景。采用磁流变阻尼器作为假肢膝关节的膝关节阻尼力矩控制组件有望取得更好的模拟效果。
发明内容
本发明的目的在于设计一种基于磁流变阻尼器的假肢膝关节，它能适应人体步伐的模拟要求，使控制频率和阻尼等参数均可主动调节。
本发明的技术方案：
一种基于磁流变阻尼器的假肢膝关节，其特征在于通过四连杆机构和磁流变阻尼器来模拟人的膝关节运动，本发明提出一种轻便，结构简单，耗能少，性能完善的阻尼连续可调式假肢膝关节。通过外加电源来对磁流变阻尼器供电，在帮助截至患者自如行走的同时，更精确得模拟人行走的轨迹。
一种基于磁流变阻尼器的假肢膝关节其特征在于它是由磁流变阻尼器，连杆杆一，连杆杆二，连杆杆三，传感系统，控制系统组成。
所述的小腿支架与连杆一、连杆三螺栓连接；
所述的活塞杆套筒与小腿支架螺栓连接；
所述的活塞杆套筒与活塞杆下端间隙配合，其中心轴线重合；
所述的大腿连接部与连杆间隙配合；
所述的磁流变阻尼器通过活塞杆上端的螺栓孔与连杆杆一间的螺栓连接杆过盈配合；
所述的磁流变阻尼器包括端盖、螺栓、缸筒、铜垫片、Y型唇形密封、注液孔、励磁线圈、导线、活塞；
所述的密封件采用所述的Y型唇形密封；
所述的缸筒中心轴线与活塞杆中心轴线重合；
所述的缸筒与端盖采用螺纹连接；
所述的导线由所述的活塞杆上端进入；
所述的励磁线圈绕在所述的活塞杆上；
所述的注液孔在所述的缸筒上；
所述的拉压力传感器安装在小腿支撑杆外侧；
所述的电涡流位移传感器安装在连杆杆一和连杆杆二外侧；
所述的阻尼力通过控制系统实时调节；
所述的步态通过四连杆机构和磁流变阻尼器以及控制系统进行模拟。
与现有技术对比，本发明专利的有益效果如下：
第一：本发明的一种基于磁流变阻尼器的假肢膝关节具有优良的半主动可控阻尼性能，提出的控制监测系统能够近似地模拟人体膝关节的运动，运动可控性强；
第二：本发明的一种基于磁流变阻尼器的假肢膝关节所需工作电压只有几伏，安全性能可靠，相比于传统假肢膝关节损耗小；
第三：传统的假肢膝关节用弹性元件(弹簧)与储能元件(液压缸或气压缸)在截肢患者站立期存储的能量，其体积笨重，耗能高，而本发明提出的基于磁流变阻尼器的假肢膝关节更为轻便，效率高。
附图及附图的简单说明
图1为一种基于磁流变阻尼器的假肢膝关节结构示意图；
图2为磁流变阻尼器剖视图；
图3为可控阻尼闭环控制系统模型简图。
具体实施方案
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应该理解，这些实施例仅用于说明本发明，而不用于限定本发明的保护范围。在实际应用中本领域技术人员根据本发明做出的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。
为了更好的说明本发明，下方结合附图对本发明进行详细的描述。
如图1所述，本发明一种基于磁流变阻尼器的假肢膝关节，其特征在于它是由磁流变阻尼器1、连杆杆一2、螺栓3、连杆杆二4、大腿支撑部5、连杆杆三6、小腿支架7、活塞杆套筒8、注液孔9、拉压力传感器18、电涡流位移传感器19等构成。
其中大腿带动四连杆结构驱动假肢膝关节运动。活塞杆10与连杆杆一2间的螺栓3连接杆过盈连接，大腿支撑部5运动时，四连杆机构运动，带动活塞杆10做往复运动；
所述的注液孔9开在所述的缸筒29上，用于向缸筒内注入磁流变液；
所述的拉压力传感器18安装在小腿支架外侧用于测量膝关节承受的拉压力；
电涡流位移传感器19安装在连杆杆一和连杆杆二的外侧用于测定膝关节阻尼频率范围；
所述的述的活塞杆套筒8与活塞杆下端间隙配合，其中心轴线重合，为活塞杆往复运动导向。
如图2所述，本发明提出的磁流变阻尼器由活塞杆10、端盖11、缸筒12、螺栓13、导线14、Y型唇形密封15、铜垫片16、励磁线圈17等构成。
所述的密封件采用所述的Y型唇形密封15；
所述的缸筒12与端盖11采用螺纹连接；
所述的导线14由所述的活塞杆10上端端进入；
所述的活塞杆10下端与所述的活塞杆套筒8间隙配合；
所述的励磁线圈17绕在所述的活塞杆10上；
当四连杆机构带动活塞杆10运动时，活塞杆10与磁流变阻尼器1作相对运动，此时励磁线圈17通电，腔体内的磁流变液“固化”，电流不同，“固化”效果不同，通过改变电流的大小从而对阻尼力进行控制。
如图3所述，本控制系统为可控阻尼闭环控制系统，此系统利用数值仿真方法确定输入量,由D/A的输出控制驱动线圈电流,在磁场的作用下,磁流变阻尼器产生阻尼力。通过传感器来检测产生的位移和压力值,传感器将其转换成电压量,并通过变送电路把电压量反馈到控制单元己给定值比较,形成新的偏差,从而确定控制变量的大小,做出新一轮的判断,往复循环比较构成闭环控制回路。

Claims (5)

1.一种基于磁流变阻尼器的假肢膝关节，包括磁流变阻尼器、连杆杆一、螺栓、连杆杆二、大腿支撑部、连杆杆三、小腿支架、活塞杆套筒、注液孔、拉压力传感器、电涡流位移传感器、活塞杆、端盖、缸筒、导线、Y型唇形密封、铜垫片、励磁线圈、控制系统等，
所述的大腿支撑部和所述的连杆共同组成四连杆机构，所述的活塞杆套筒与活塞杆下端间隙配合，其中心轴线重合，所述的活塞杆套筒与小腿支架螺栓连接，所述的磁流变阻尼器通过活塞杆上端的螺栓孔与连杆杆一间的螺栓连接杆过盈配合，所述的拉压力传感器安装在小腿支撑杆外侧，所述的电涡流位移传感器安装在连杆杆一和连杆杆二外侧，所述的膝关节阻尼力通过控制系统实时调节。
2.根据权利要求1所述的一种基于磁流变阻尼器的假肢膝关节，其特征在于，活塞杆套筒与小腿支架固定，活塞杆上端与连杆杆一之间的螺栓连接杆固定，使得活塞随着四连杆进行往复运动，活塞杆套筒起导向作用。
3.根据权利要求1所述的一种基于磁流变阻尼器的假肢膝关节，其特征在于所述的磁流变阻尼器由端盖、螺栓、缸筒2、铜垫片、Y型唇形密封、注液孔、励磁线圈、活塞杆等构成。
4.根据权利要求1所述的一种基于磁流变阻尼器的假肢膝关节，其特征在于，所述磁流变阻尼器采用Y型唇形密封，较于传统密封方式其性能更加优良。
5.根据权利要求1所述的一种基于磁流变阻尼器的假肢膝关节，其特征在于所述的控制系统采用闭环控制系统。
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