CN111313752B - 一种压电自发电的变刚度柔性下肢假肢转弯器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种压电自发电的变刚度柔性下肢假肢转弯器，包括膝关节连接件、上盖、压电振子固定件、压电振子、永磁铁、电磁铁、滚珠、磁编码器、下盖和踝关节连接件。压电振子在振动的过程中可以发电，存储的电量可用于其它电子元件。电磁铁和永磁铁相对布置，根据磁编码器反馈膝踝之间的相对转角大小和速度，改变电磁铁的通电电流大小，改变电磁铁和永磁铁之间的互斥力，使整个系统的刚度随转角大小和速度改变。本发明采用柔性变刚度系统，可以有效缓解下肢假肢穿戴者在转弯时的刚性冲击，提高残疾人行走舒适性，减少残肢皮肤磨损，压电自发电的特点又可以提高能量的利用。
Description
技术领域
本发明属于人体仿生假肢技术领域，具体涉及一种压电自发电的变刚度柔性下肢假肢转弯器。
背景技术
随着假肢技术的不断发展，人体下肢假肢已成为下肢截肢残疾人常用的康复器械。下肢假肢可以模拟人的步态，使残疾人可以最大限度地去正常生活，对于残疾人的身心健康有不可或缺的作用。传统假肢包含接受腔、膝关节、连接杆、假脚等部件。安装假肢的残疾人在行走时，不但要直线行走，更要经常转弯进行曲线行走。现有的假肢在膝踝之间的连接件多采用如碳纤维连接杆和四棱台适配器等刚性结构，因此尤其在转弯时候，截肢者往往会比较生硬地转动假肢，不但对残肢带来较大的刚性冲击，让截肢者感到行走的不舒适，更容易磨损残疾人的残肢皮肤，给残疾人带来极大不便。
据文献表明，健康人在行走时步态受到腿部横截面扭矩的影响。现有的假肢穿戴者在进行曲线行走过程中，刚性结构会产生较大的峰值载荷和不必要的能量冲击损耗，而每次转弯时的角度和速度都不同，单一刚度的转弯器并不能实现瞬时的载荷响应调节。
发明内容
为了解决以上问题，本发明提出一种压电自发电的变刚度柔性下肢假肢转弯器，以解决截肢者在转弯时下肢假肢刚性冲击较大和不能瞬时调节刚度的缺点。压电振子是由压电陶瓷和金属基板构成的器件，具有一定刚度，根据正压电效应，当压电振子振动弯曲变形后便会产生电流，对电流进行存储，可以把这些电量用于膝关节或者踝关节的一些电子元件中，实现能量的回收利用。本发明中的电磁铁通过电流的变化来控制磁力的大小进而调节刚度，磁编码器可以检测到膝关节和踝关节之间相对角度大小和速度的变化。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种压电自发电的变刚度柔性下肢假肢转弯器，包括膝关节连接件、上盖、压电振子固定件、压电振子、永磁铁、电磁铁、滚珠、磁编码器、下盖和踝关节连接件，膝关节连接件固定连接在上盖的上面，上盖内部固定连接压电振子固定件，压电振子包括第一压电振子和第二压电振子，永磁铁包括第一永磁铁和第二永磁铁，电磁铁包括第一电磁铁和第二电磁铁，下盖内侧的凸台侧面布置第一电磁铁和第二电磁铁，第一压电振子的一端固定连接在压电振子固定件的槽口中，第一压电振子的另一端固定连接第一永磁铁；第一永磁铁和第一电磁铁相对布置并产生互斥力，从上往下看，第一压电振子顺时针转动时受到第一永磁铁和第一电磁铁之间的相斥磁力而弯曲，由于正压电效应会产生电流，实现能量的回收利用；第二压电振子的一端固定连接在压电振子固定件的槽口中，第二压电振子的另一端固定连接第二永磁铁，第二永磁铁和第二电磁铁相对布置并在转弯时产生互斥力，从上往下看，第二压电振子逆时针转动时受到第二永磁铁和第二电磁铁之间的相斥磁力而弯曲；磁编码器包括磁编码器永磁极和磁编码器芯片，磁编码器永磁极固定在压电振子固定件的底部，磁编码器芯片固定在下盖内部，磁编码器永磁极和磁编码器芯片相对布置，用于检测膝关节连接件和踝关节连接件之间的相对转动角度的变化，也即检测膝关节和踝关节之间的相对转动角度的变化；上盖与下盖之间的圆形沟槽中嵌入滚珠，上盖和下盖可以相对转动，下盖与踝关节连接件固定连接。
所述压电振子为单晶片结构，或者为双晶片结构。
永磁铁和电磁铁之间为互斥力，通过改变电磁铁电流的大小，可以改变互斥力的大小，在人转弯时，改变电磁铁的电流即可以改变转弯器的刚度。根据磁编码器反馈回的膝踝相对转动角度大小和速度，可以实现对刚度的实时调节。
本发明的有益效果：
(1)假肢转弯器使用压电振子作为柔性阻尼元件，可以减少转弯时假肢的刚性冲击，提高下肢假肢的穿戴舒适性；永磁铁和电磁铁之间的互斥力大小随电磁铁电流的改变而变化，可以用来调节转弯器的刚度；根据磁编码器反馈的膝踝角度变化，可以对假肢不同转弯角度和不同转弯速度进行不同刚度的控制，更智能地模拟人的步态。
(2)采用压电振子作为柔性阻尼元件，可以利用压电振子的正压电效应进行发电，发出的电量可以用于其他假肢电子元件，具有节能环保、提高能量利用的优点。
附图说明
图1是本发明的轴测图。
图2是本发明的内部结构图。
图3是本发明纵向剖视图。
图4是本发明的横向剖视图。
具体实施方式
参照图1、图2和图3所示，一种压电自发电的变刚度柔性下肢假肢转弯器，包括膝关节连接件1、上盖2、压电振子固定件3、压电振子4、永磁铁5、电磁铁6、滚珠7、磁编码器8、下盖9和踝关节连接件10；
膝关节连接件1固定连接在上盖2的上面，膝关节连接件1能与标准连接杆相连，根据不同人的残肢长短来适配不同长度的连接杆，膝关节连接件1、上盖2和压电振子固定件3三者通过螺栓连接，压电振子4包括第一压电振子41和第二压电振子42，永磁铁5包括第一永磁铁51和第二永磁铁52，电磁铁6包括第一电磁铁61和第二电磁铁62，下盖9内侧的凸台侧面固定第一电磁铁61和第二电磁铁62，第一压电振子41的一端固定在压电振子固定件3的槽口中，第一压电振子41的另一端固定第一永磁铁51；第一永磁铁51和第一电磁铁61相对布置，从上往下看，第一压电振子41顺时针转动时会受到第一永磁铁51和第一电磁铁61之间的相斥磁力而弯曲；第二压电振子42的一端固定连接在压电振子固定件3的槽口中，第二压电振子42的另一端固定连接第二永磁铁52，第二永磁铁52和第二电磁铁62相对布置，从上往下看，第二压电振子42逆时针转动时会受到第二永磁铁52和第二电磁铁62之间的相斥磁力而弯曲；磁编码器8包括磁编码器永磁极81和磁编码器芯片82，磁编码器永磁极81固定在压电振子固定件3的底部，磁编码器芯片82固定在下盖9内部，磁编码器永磁极81和磁编码器芯片82相对布置，用于检测膝关节连接件1和踝关节连接件10之间的相对转动角度；上盖2与下盖9之间的圆形沟槽中嵌入滚珠7，因此上盖2与下盖9可以产生相对转动，下盖9与踝关节连接件10通过螺栓固定连接。
所述的压电振子4为单晶片结构，或者为双晶片结构。
本发明的工作原理为：
系统通过调节电磁铁6和永磁铁5之间的磁互斥力大小，可以实现整个系统刚度的变化。图4为初始位置，系统会根据转弯角度和速度的变化来实时调节互斥力的大小。
参照图4所示，从上往下看，当人的大腿抬起带动膝关节顺时针转动，进而带动膝关节连接件1顺时针转动。膝关节连接件1带动上盖2和压电振子固定件3顺时针转动，进而带动第一压电振子41顺时针转动。第一电磁铁61与第一永磁铁51由于通电而产生互斥力，根据磁编码器8反馈的转动角度和速度进行电流大小的调节，得到瞬时最佳磁互斥力大小，进行转动刚度的实时调节，进而调节转动扭矩的大小，以此模拟健康人腿行走时的横截面扭矩变化，使假肢步态更接近健康人的步态。第一压电振子41受到互斥力的作用而弯曲并使下盖9顺时针转动，下盖9又会带动踝关节连接件10顺时针转动，进而带动假脚顺时针转动。
当大腿完成转弯动作，上盖2停止顺时针转动。下盖9在转过和上盖2相同的角度后，下盖9、踝关节连接件10和假脚由于惯性的作用会继续顺时针转动，此时第二压电振子42由于第二电磁铁62和第二永磁铁52之间的互斥力而限制其继续顺时针转动，此过程中也需要根据转动角度和速度的大小来实时调节第二电磁铁62电流的大小。此时第二压电振子42由于力的作用而弯曲，由于逆时针力的作用，下盖又会向逆时针方向轻微转动。
由于惯性，下盖9、踝关节连接件10和假脚会往复振动几次达到稳态，压电振子4的振动会产生电流，进行存储后可以用于其它电子元件。等待下盖9、踝关节连接件10和假脚稳定后，完成人的转弯动作，脚踩向地面。
当大腿带动膝关节逆时针转动时，工作原理相同。
Claims (2)
1.一种压电自发电的变刚度柔性下肢假肢转弯器，其特征在于：包括膝关节连接件(1)、上盖(2)、压电振子固定件(3)、压电振子(4)、永磁铁(5)、电磁铁(6)、滚珠(7)、磁编码器(8)、下盖(9)和踝关节连接件(10)：
所述膝关节连接件(1)固定连接在上盖(2)的上面，上盖(2)内部固定连接压电振子固定件(3)，压电振子(4)包括第一压电振子(41)和第二压电振子(42)，永磁铁(5)包括第一永磁铁(51)和第二永磁铁(52)，电磁铁(6)包括第一电磁铁(61)和第二电磁铁(62)，下盖(9)内侧的凸台侧面布置第一电磁铁(61)和第二电磁铁(62)，第一压电振子(41)的一端固定连接在压电振子固定件(3)的槽口中，第一压电振子(41)的另一端固定连接第一永磁铁(51)；第一永磁铁(51)和第一电磁铁(61)相对布置，从上往下看，第一压电振子(41)顺时针转动时受到第一永磁铁(51)和第一电磁铁(61)之间的相斥磁力而弯曲；第二压电振子(42)的一端固定连接在压电振子固定件(3)的槽口中，第二压电振子(42)的另一端固定连接第二永磁铁(52)，第二永磁铁(52)和第二电磁铁(62)相对布置，从上往下看，第二压电振子(42)逆时针转动时受到第二永磁铁(52)和第二电磁铁(62)之间的相斥磁力而弯曲；磁编码器(8)包括磁编码器永磁极(81)和磁编码器芯片(82)，磁编码器永磁极(81)固定在压电振子固定件(3)的底部，磁编码器芯片(82)固定在下盖(9)内部，磁编码器永磁极(81)和磁编码器芯片(82)相对布置，用于检测膝关节连接件(1)和踝关节连接件(10)之间的相对转动角度；上盖(2)与下盖(9)之间的圆形沟槽中嵌入滚珠(7)，下盖(9)的下面与踝关节连接件(10)固定连接。
2.根据权利要求1所述的一种压电自发电的变刚度柔性下肢假肢转弯器，其特征在于：所述压电振子(4)为单晶片结构，或者为双晶片结构。
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