CN111390879A - 一种用于柔性助力装备的关节分控装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及了一种用于柔性助力装备的关节分控装置，包括电磁线圈和多个极板，多个极板沿其厚度方向以一定间距平行分布，相邻两极板之间设有磁流变液储囊，磁流变液储囊为高弹材质，磁流变液储囊与其相邻两极板的贴合面均固定连接，磁流变液储囊中填充磁流变液；相邻两极板通过支撑导向结构构成一对移动副；还包括弹性复位结构，弹性复位结构用于使移动后的极板复位还原；电磁线圈用于产生电磁场；本技术方案的关节分控装置用于柔性助力装备时，将首端极板与人体相对固定，将鲍登线与终端极板相连接，可以在一定程度上实现拉力传递的离与合，从而实现对多个关节助力的联动或单独动作，相应速度快，动作连续可逆。

Description

一种用于柔性助力装备的关节分控装置

技术领域

本发明涉及穿戴设备技术领域，具体涉及一种用于柔性助力装备的关节分控装置。

背景技术

穿戴式柔性助力装备用于为人体关节动作提供助力，辅助人体动作，以降低人体代谢消耗、延缓身体疲劳。

现有技术的柔性穿戴设备对人体各关节的控制一般都是联动控制，即采用一个动力源带动髋关节、膝关节和踝关节协同动作；为了实现各关节的单独控制，有的现有技术中采用一个动力源匹配一个关节的形式，这不仅导致了动力元件数量偏多，而且多个关节需要联动时，各动力元件的动作匹配性能也不佳、动作僵硬，达不到较理想的助力效果，从而导致较难被接受。

发明内容

本发明要解决的技术问题是弥补现有技术的不足，提供一种用于柔性助力装备的关节分控装置。

要解决上述技术问题，本发明的技术方案为：

一种用于柔性助力装备的关节分控装置，包括电磁线圈和多个极板，多个极板沿其厚度方向以一定间距平行分布，相邻两极板之间设有磁流变液储囊，磁流变液储囊为高弹材质，磁流变液储囊与其相邻两极板的贴合面均固定连接，磁流变液储囊中填充磁流变液；相邻两极板通过支撑导向结构构成一对移动副；还包括弹性复位结构，弹性复位结构用于使移动后的极板复位还原；电磁线圈用于产生电磁场。

进一步地，所述弹性复位结构包括多个弹性橡胶片，相邻两极板上沿移动方向的始端通过一个弹性橡胶片相连，相邻两极板上沿移动方向的终端通过一个弹性橡胶片相连，弹性橡胶片的数量与极板的数量相匹配。

进一步地，所述极板的数量为3个，自下而上依次为第一极板、第二极板和第三极板。

进一步地，所述第二极板的两侧面对称固定设有固定块、第一导向板和第二导向板，所述第一极板的两侧面对称固定设有第一导向块，第一导向块为第一导向板提供移动用导向槽及限位槽，所述第三极板的两侧面对称固定设有第二导向块，第二导向块为第二导向板提供移动用导向槽及限位槽；固定块、第一导向板和第一导向块共同构成第一极板与第二极板之间的支撑导向结构；固定块、第二导向板和第二导向块共同构成第二极板与第三极板之间的支撑导向结构。

进一步地，所述第一导向块和第二导向块上的导向槽的导向路径为折线路径。

进一步地，所述电磁线圈的数量为多个，多个电磁线圈在所述第一极板、第二极板和第三极板上均有分布。

进一步地，所述电磁线圈的数量为1个，密封固定在线圈盒内部，线圈盒固定在所述第二极板上。

进一步地，所述线圈盒上设有溢流孔，溢流孔为磁流变液的流动通道，但不破坏对所述电磁线圈的密封效果。

进一步地，所述支撑导向结构包括支撑导向盒，支撑导向盒为一侧敞口的空腔壳体，支撑导向盒的内腔中设有两对导向槽，所述第一极板、第二极板和第三极板置于支撑导向盒中，第二极板和第三极板上各设有一对导向凸台，支撑导向盒内腔中的导向槽与第二极板和第三极板上的导向凸台相匹配用于导向；第一极板、第二极板和第三极板的初始位置远离支撑导向盒的敞口侧，第一极板与支撑导向盒固定连接，支撑导向盒的敞口侧通过盖密封，盖上设有过线孔。

进一步地，所述弹性复位结构包括拉簧、固定块A和固定块B，固定块A固定在所述第三极板上，拉簧的一端固定在固定块A上，拉簧的另一端固定在固定块B上，固定块B固定在支撑导向盒上。

本发明可以达到的有益效果为：

1）本技术方案的关节分控装置用于柔性助力装备时，将首端极板与人体相对固定，将鲍登线与终端极板相连接，可以在一定程度上实现拉力传递的离与合，基本颠覆了传统离合器的概念；

2）磁流变液从液体状态转变为类固体状态所需的时间为毫秒级，相应速度非常快，且连续可逆，这使得多个关节分控装置匹配性能佳，可以实现对多个关节助力的联动或单独动作，从而使助力动作流畅、助力效果好；

3）结构简单，便于装配、维护及维修。

附图说明

图1是本发明实施例1关节分控装置的立体结构图；

图2是本发明实施例1关节分控装置的主视图；

图3是本发明实施例1关节分控装置的左视图；

图4是图2的剖视图A-A；

图5是图3的剖视图B-B；

图6是本发明实施例2关节分控装置的立体结构图；

图7是本发明实施例2关节分控装置的主视图；

图8是本发明实施例2关节分控装置的左视图；

图9是图7的剖视图C-C；

图10是图8的剖视图D-D；

图11是本发明实施例2关节分控装置在隐藏磁流变液储囊状态的立体结构图；

图12是本发明实施例2关节分控装置中第二极板、线圈盒和电磁线圈的结构布置立体图；

图13是本发明实施例3关节分控装置的立体结构图；

图14是本发明实施例3关节分控装置未安装线圈盒的主视图；

图15是图14的剖视图E-E；

图16是图15的拉伸状态；

图17是图14的剖视图F-F；

图18是实施例1、2、3的应用示意图；

图中：1-第一导向块，2-第一磁流变液储囊，3-固定块，4-第一导向板，5-弹性橡胶片，6-第二导向块，7-第二磁流变液储囊，8-第二导向板，9-电磁线圈，10-密封板，11-磁流变液，12-第一极板，13-第二极板，14-第三极板，15-线圈盒，1501-溢流孔；16-支撑导向盒，17-盖，18-固定块A，19-拉簧，20-固定块B；

81-电机，82-第一固定带，83-提升鲍登线髋关节分支，84-第二固定带，85-提升髋关节用关节分控装置，86-第三固定带，87-第四固定带，88-提升鲍登线踝关节分支，89-提升踝关节用关节分控装置，90-第五固定带，91-提升膝关节用关节分控装置，92-提升鲍登线膝关节分支，93-提升鲍登线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1

如图1-图5所示，一种关节分控装置，包括电磁线圈9和3个极板，3个极板沿其厚度方向以一定间距平行分布，自下而上依次为第一极板12、第二极板13和第三极板14，相邻两极板之间设有磁流变液储囊，磁流变液储囊为高弹材质，如硅胶等；具体地，第一极板12与第二极板13之间的磁流变液储囊为第一磁流变液储囊2，第二极板13与第三极板14之间的磁流变液储囊为第二磁流变液储囊7；磁流变液储囊与其相邻两极板的贴合面均胶结固定，磁流变液储囊中填充磁流变液11；相邻两极板通过支撑导向结构构成一对移动副，具体地，第二极板13的两侧面对称固定设有固定块3、第一导向板4和第二导向板8，第一极板12的两侧面对称固定设有第一导向块1，第一导向块1为第一导向板4提供移动用导向槽及限位槽，第三极板14的两侧面对称固定设有第二导向块6，第二导向块6为第二导向板8提供移动用导向槽及限位槽；固定块3、第一导向板4和第一导向块1共同构成第一极板12与第二极板13之间的支撑导向结构；固定块3、第二导向板8和第二导向块6共同构成第二极板13与第三极板14之间的支撑导向结构；还包括弹性复位结构，弹性复位结构用于使移动后的极板复位还原，本实施例选用的弹性复位结构包括2对弹性橡胶片5，相邻两极板上沿移动方向的始端通过一个弹性橡胶片5相连，相邻两极板上沿移动方向的终端通过一个弹性橡胶片5相连；电磁线圈9用于产生电磁场，电磁线圈9的数量为多个，多个电磁线圈9在第一极板12、第二极板13和第三极板14上均有分布，采用密封板10将电磁线圈9密封固定于极板中。

实施例2

如图6-图12所示，一种关节分控装置，包括电磁线圈9和3个极板，3个极板沿其厚度方向以一定间距平行分布，自下而上依次为第一极板12、第二极板13和第三极板14，相邻两极板之间设有磁流变液储囊，磁流变液储囊为高弹材质，如硅胶等；具体地，第一极板12与第二极板13之间的磁流变液储囊为第一磁流变液储囊2，第二极板13与第三极板14之间的磁流变液储囊为第二磁流变液储囊7；磁流变液储囊与其相邻两极板的贴合面均胶结固定，磁流变液储囊中填充磁流变液11；相邻两极板通过支撑导向结构构成一对移动副，具体地，第二极板13的两侧面对称固定设有固定块3、第一导向板4和第二导向板8，第一极板12的两侧面对称固定设有第一导向块1，第一导向块1为第一导向板4提供移动用导向槽及限位槽，第三极板14的两侧面对称固定设有第二导向块6，第二导向块6为第二导向板8提供移动用导向槽及限位槽；固定块3、第一导向板4和第一导向块1共同构成第一极板12与第二极板13之间的支撑导向结构；固定块3、第二导向板8和第二导向块6共同构成第二极板13与第三极板14之间的支撑导向结构；第一导向块1和第二导向块6上的导向槽的导向路径为折线路径，折线式导向路径的设置使关节分控装置本身具备一定的柔性；还包括弹性复位结构，弹性复位结构用于使移动后的极板复位还原，本实施例选用的弹性复位结构包括2对弹性橡胶片5，相邻两极板上沿移动方向的始端通过一个弹性橡胶片5相连，相邻两极板上沿移动方向的终端通过一个弹性橡胶片5相连；电磁线圈9用于产生电磁场，电磁线圈9的数量为1个，密封固定在线圈盒15内部，线圈盒15固定在第二极板13上；线圈盒15上设有溢流孔1501，溢流孔1501为磁流变液11的流动通道，但不破坏对电磁线圈9的密封效果，本领域技术人员可以根据实际技术参数设计溢流孔的大小，附图中的溢流孔1501的位置及大小比例仅为示例性的。

实施例3

如图13-图17所示，一种关节分控装置，包括电磁线圈9和3个极板，3个极板沿其厚度方向以一定间距平行分布，自下而上依次为第一极板12、第二极板13和第三极板14，相邻两极板之间设有磁流变液储囊，磁流变液储囊为高弹材质，如硅胶等；具体地，第一极板12与第二极板13之间的磁流变液储囊为第一磁流变液储囊2，第二极板13与第三极板14之间的磁流变液储囊为第二磁流变液储囊7；磁流变液储囊与其相邻两极板的贴合面均胶结固定，磁流变液储囊中填充磁流变液11；相邻两极板通过支撑导向结构构成一对移动副，具体地，支撑导向结构包括支撑导向盒16，支撑导向盒16为一侧敞口的空腔壳体，支撑导向盒16的内腔中设有两对导向槽，第一极板12、第二极板13和第三极板14置于支撑导向盒16中，第二极板13和第三极板14上各设有一对导向凸台，支撑导向盒16内腔中的导向槽与第二极板13和第三极板14上的导向凸台相匹配用于导向；第一极板12、第二极板13和第三极板14的初始位置远离支撑导向盒16的敞口侧，第一极板12与支撑导向盒16固定连接，支撑导向盒16的敞口侧通过盖17密封，盖17上设有过线孔；还包括弹性复位结构，弹性复位结构用于使移动后的极板复位还原，本实施例选用的弹性复位结构包括拉簧19、固定块A18和固定块B20，固定块A18固定在所述第三极板14上，拉簧19的一端固定在固定块A18上，拉簧19的另一端固定在固定块B20上，固定块B20固定在支撑导向盒16上；电磁线圈9用于产生电磁场，电磁线圈9的数量为1个，密封固定在线圈盒15内部，线圈盒15固定在支撑导向盒16的外部。

上述实施例中采用的均为3个极板的结构，本领域技术人员可以在本实施例的指导下，根据实际应用的行程大小和磁流变液储囊的形变性能合理地设置极板的数量。

上述实施例的应用举例：

如图18所示，一种穿戴式柔性助力装备，包括电机81、电池、控制器、提升鲍登线93、第一固定带82、第二固定带84、第三固定带86、第四固定带87、第五固定带90和3个关节分控装置，3个关节分控装置分别为提升髋关节用关节分控装置85、提升膝关节用关节分控装置91和提升踝关节用关节分控装置89；第一固定带82用于固定在人体腰肢上，第二固定带84用于固定在人体大腿部，第三固定带86用于固定在人体小腿上半部，第四固定带用于固定在人体小腿下半部，第五固定带90用于固定在人体脚部；电机81、电池和控制器均固定在第一固定带82上，电池用于给电机、控制器和关节分控装置供电；提升髋关节用关节分控装置85的第一端部极板固定在第二固定带84上，提升膝关节用关节分控装置91的第一端部极板固定在第四固定带87上，提升踝关节用关节分控装置89的第一端部极板固定在第五固定带90上；提升鲍登线93的首端缠绕于绕线轮上，绕线轮与电机81的输出轴固定连接，提升鲍登线93的尾部包括三支分叉线，分别为提升鲍登线髋关节分支83、提升鲍登线膝关节分支92和提升鲍登线踝关节分支88，提升鲍登线髋关节分支83的尾端与提升髋关节用关节分控装置85的第二端部极板固定连接，提升鲍登线膝关节分支92的尾端与提升膝关节用关节分控装置91的第二端部极板固定连接，提升鲍登线踝关节分支88的尾端与提升踝关节用关节分控装置89的第二端部极板固定连接；提升鲍登线膝关节分支92在第二固定带84上设有锚固点，提升鲍登线踝关节分支88在第三固定带86上设有锚固点；使用时，提升髋关节用关节分控装置85固定在人体大腿的正面，提升膝关节用关节分控装置91固定在人体小腿的背面，提升踝关节用关节分控装置89固定在脚部靠近脚掌；3个关节分控装置分别通过相对应的电流调节电路与控制器相连。

上述实施例的原理：

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情况下，磁流变液表现为流动性能良好的液体，其表观粘度很小；在强磁场作用下可在短时间(毫秒级)内表观粘度增加两个数量级以上，并呈现类固体特性;而且这种变化是连续的、可逆的，即去掉磁场后又恢复到原来的状态；

关节分控装置用于柔性助力装备时，将第一极板12与人体相对固定，将鲍登线与第三极板14相连接；

当磁流变液呈低粘度液体状态时，牵引鲍登线，关节分控装置会因牵引力而发生动作，且其发生动作所需的牵引力较小；当磁流变液呈高粘度液体状态时，牵引鲍登线，关节分控装置会因牵引力而发生动作，但其发生动作所需的牵引力较大；当磁流变液呈类固体状态时，牵引与其相连的鲍登线，关节分控装置基本不会因牵引力而发生动作；撤销鲍登线的牵引力之后，关节分控装置通过其弹性复位结构回复原状；

以控制膝关节的提升动作助力为例进行解释：

当提升膝关节用关节分控装置91中的磁流变液11呈低粘度液体状态时，提升鲍登线93的缠绕会牵引提升膝关节用关节分控装置91的第二端部极板，提升膝关节用关节分控装置91动作，导致其不会对人体膝关节进行弯曲动作有任何帮助；

当提升膝关节用关节分控装置91中的磁流变液11呈类固体状态时，提升鲍登线93的缠绕会牵引提升膝关节用关节分控装置91的第二端部极板，提升膝关节用关节分控装置91不动作，则发挥对人体膝关节进行弯曲动作的助力作用。

上述实施例的优点：上述实施例的关节分控装置用于柔性助力装备时，将第一极板12与人体相对固定，将鲍登线与第三极板14相连接，可以在一定程度上实现拉力传递的离与合，基本颠覆了传统离合器的概念；本技术方案结构简单，便于装配、维护及维修。

在本发明的描述中，“内”、“外”、“上”、“下”、“前”、“后”等指示方位或位置关系的词语，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以上所述仅是本发明的其中一种实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明思路的前提下所做出的若干改进和润饰均为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于柔性助力装备的关节分控装置，其特征是：包括电磁线圈（9）和多个极板，多个极板沿其厚度方向以一定间距平行分布，相邻两极板之间设有磁流变液储囊，磁流变液储囊为高弹材质，磁流变液储囊与其相邻两极板的贴合面均固定连接，磁流变液储囊中填充磁流变液（11）；相邻两极板通过支撑导向结构构成一对移动副；还包括弹性复位结构，弹性复位结构用于使移动后的极板复位还原；电磁线圈（9）用于产生电磁场。

2.根据权利要求1所述的关节分控装置，其特征是：所述弹性复位结构包括多个弹性橡胶片（5），相邻两极板上沿移动方向的始端通过一个弹性橡胶片（5）相连，相邻两极板上沿移动方向的终端通过一个弹性橡胶片（5）相连，弹性橡胶片（5）的数量与极板的数量相匹配。

3.根据权利要求1所述的关节分控装置，其特征是：所述极板的数量为3个，自下而上依次为第一极板（12）、第二极板（13）和第三极板（14）。

4.根据权利要求3所述的关节分控装置，其特征是：所述第二极板（13）的两侧面对称固定设有固定块（3）、第一导向板（4）和第二导向板（8），所述第一极板（12）的两侧面对称固定设有第一导向块（1），第一导向块（1）为第一导向板（4）提供移动用导向槽及限位槽，所述第三极板（14）的两侧面对称固定设有第二导向块（6），第二导向块（6）为第二导向板（8）提供移动用导向槽及限位槽；固定块（3）、第一导向板（4）和第一导向块（1）共同构成第一极板（12）与第二极板（13）之间的支撑导向结构；固定块（3）、第二导向板（8）和第二导向块（6）共同构成第二极板（13）与第三极板（14）之间的支撑导向结构。

5.根据权利要求4所述的关节分控装置，其特征是：所述第一导向块（1）和第二导向块（6）上的导向槽的导向路径为折线路径。

6.根据权利要求4所述的关节分控装置，其特征是：所述电磁线圈（9）的数量为多个，多个电磁线圈（9）在所述第一极板（12）、第二极板（13）和第三极板（14）上均有分布。

7.根据权利要求4所述的关节分控装置，其特征是：所述电磁线圈（9）的数量为1个，密封固定在线圈盒（15）内部，线圈盒（15）固定在所述第二极板（13）上。

8.根据权利要求7所述的关节分控装置，其特征是：所述线圈盒（15）上设有溢流孔（1501），溢流孔（1501）为磁流变液（11）的流动通道，但不破坏对所述电磁线圈（9）的密封效果。

9.根据权利要求3所述的关节分控装置，其特征是：所述支撑导向结构包括支撑导向盒（16），支撑导向盒（16）为一侧敞口的空腔壳体，支撑导向盒（16）的内腔中设有两对导向槽，所述第一极板（12）、第二极板（13）和第三极板（14）置于支撑导向盒（16）中，第二极板（13）和第三极板（14）上各设有一对导向凸台，支撑导向盒（16）内腔中的导向槽与第二极板（13）和第三极板（14）上的导向凸台相匹配用于导向；第一极板（12）、第二极板（13）和第三极板（14）的初始位置远离支撑导向盒（16）的敞口侧，第一极板（12）与支撑导向盒（16）固定连接，支撑导向盒（16）的敞口侧通过盖（17）密封，盖（17）上设有过线孔。

10.根据权利要求9所述的关节分控装置，其特征是：所述弹性复位结构包括拉簧（19）、固定块A（18）和固定块B（20），固定块A（18）固定在所述第三极板（14）上，拉簧（19）的一端固定在固定块A（18）上，拉簧（19）的另一端固定在固定块B（20）上，固定块B（20）固定在支撑导向盒（16）上。

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