CN117752476A - 一种假肢膝关节的直线型磁流变执行器及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种假肢膝关节的直线型磁流变执行器及其应用，属于假肢技术领域。针对目前的假肢无法同时满足假肢膝关节半主动控制功能和主动控制功能，以及兼具富有美感的外观的问题。本发明的直线型磁流变执行器，包括磁流变阻尼器、传感器、控制器、电机驱动器和电流驱动器；磁流变阻尼器由外缸体、内缸体、活塞管和笔式推杆电机组成；笔式推杆电机由电机机座和伸缩杆组成；内缸体由上端挡、下端挡、若干导磁盘和绕线盘组成；每一个绕线盘设置在两个导磁盘之间，且在绕线盘上绕有励磁线圈，在导磁盘和绕线盘与活塞管之间的间隙内填充有磁流变液。本发明的直线型磁流变执行器应用于假肢膝关节的半主动/主动混合模式中，阻尼力连续、阻尼逆顺可调。

Description

一种假肢膝关节的直线型磁流变执行器及其应用

技术领域

本发明属于假肢技术领域，具体涉及一种应用于假肢膝关节的半主动/主动混合模式的直线型磁流变执行器。

背景技术

根据国家康复辅具研究中心2020年公布的《我国假肢与矫形器行业的历史、现状与展望》，截至2018年，我国有肢体残障者2412万，其中截肢人数为226万；在226万截肢者中，已装配假肢的有90万，约占截肢人数的40％。随着科技的不断进步，假肢设计领域也在不断创新与发展。假肢是一种能够帮助失去肢体功能的人恢复日常生活能力的装置。过去，假肢的设计多以机械为主，功能较为有限。然而，随着科技的进步，如今的假肢设计已经取得了巨大的突破，实现了更加精确、灵活和自然的运动。为了开发功能更为优益的下假肢，假肢膝关节也是关键技术之一。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。

膝上截肢者对于假肢膝关节有两个需求，功能需求和外观需求。而目前的研究，将假肢膝关节的功能需求又分为半主动控制功能和主动控制功能。基于磁流变液的阻尼器只能满足假肢膝关节半主动控制功能，无法满足主动控制功能需求。目前众多研究者们开发的“基于磁流变液的半主动和主动假肢膝关节”，都采用增加主动电机的情况下，实现完整的功能需求。但是，这些开发的“基于磁流变液的半主动和主动假肢膝关节”，要么直接将旋转电机安装在膝关节位置，要么是将电机、丝杆、阻尼器集成于小腿，占用空间很大，很容易影响腿部的灵活性，并且无法满足需求者对假肢外观的审美问题。因此，急需在现有的技术基础上尝试将磁流变阻尼器应用在下假肢膝关节上，使假肢的运动更加符合人体力学，具备更完善的性能。

发明内容

针对目前的假肢无法同时满足假肢膝关节半主动控制功能和主动控制功能，以及兼具富有美感的外观的问题，本发明提供了一种假肢膝关节的直线型磁流变执行器及其应用。

为了达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：

一种假肢膝关节的直线型磁流变执行器，包括磁流变阻尼器、传感器、控制器和电流驱动器；所述控制器分别连接传感器、电流驱动器和电机驱动器；所述电流驱动器连接励磁线圈，所述电机驱动器连接笔式推杆电机，所述传感器用于测量笔式推杆电机和活塞杆的位置，并将信号反馈给控制器；

所述磁流变阻尼器由外缸体、内缸体、活塞管和笔式推杆电机组成；所述内缸体固定在外缸体中，且所述内缸体套设在活塞管外；所述活塞管套设在笔式推杆电机外，在活塞管与笔式推杆电机之间还设有套筒；所述笔式推杆电机由电机机座和伸缩杆组成，套筒和电机机座是固定的；

所述内缸体由顶部的上端挡、底部的下端挡，以及在上端挡和下端挡之间设置的若干导磁盘和若干绕线盘组成；在所述的上端挡和所述的下端挡与导磁盘之间均设有密封圈；每一个绕线盘设置在两个导磁盘之间，且在所述绕线盘上绕有励磁线圈；所述励磁线圈与电流驱动器电性连接；在导磁盘和绕线盘与活塞管之间的间隙内填充有磁流变液，两端由上端挡、下端挡和密封圈对磁流变液进行密封。

进一步，所述内缸体包括顶部的上端挡、密封圈和下端挡，还包括设置在活塞管中间位置的活塞头；励磁线圈缠绕在活塞头的凹槽中；活塞头与外缸体之间形成节流通道；所述密封圈设置在上端挡与活塞管之间和下端挡与活塞管之间；在上端挡、下端挡、活塞管与外缸体之间形成的密封空间内填充有磁流变液；所述活塞头和活塞管采用导磁率相同的材料制成。

进一步，所述内缸体包括顶部的上端挡和密封圈；还包括设置在活塞管底部位置的活塞头；励磁线圈缠绕在活塞头的凹槽中；活塞头与外缸体之间形成节流通道；所述密封圈设置在上端挡与活塞管之间；在活塞头下方与外缸体底部之间还设有浮动活塞，外缸体底部是封闭状态；所述上端挡、活塞管、外缸体和浮动活塞形成一个封闭腔，且填充有磁流变液；所述浮动活塞和外缸体下部形成一个气缸，气缸内充有压缩气体，浮动活塞和气缸组成回位装置。

进一步，所述导磁盘、活塞管和外缸体均必须采用具有高导磁的软钢材料制成，除所述导磁盘、活塞管和外缸体以外的部分均由非磁性材料制成。

进一步，每个所述绕线盘的上部和绕线盘的下部均设有限位环，且每个所述导磁盘的上部和导磁盘的下部均设有与限位环相对应的凹槽，用于限制绕线盘和导磁盘的位置。

进一步，所述套筒为铜质套筒，用于避免磁流变阻尼器的磁场影响电机运行。

进一步，所述导磁盘和绕线盘的一侧开设有引线槽，用于使缠在绕线盘上的励磁线圈通过引线槽从外缸体侧面的引线口引出。

进一步，绕线盘上的励磁线圈的缠绕顺序是交错缠绕，用于保证每个线圈之间产生的磁路不冲突。

进一步，每一个励磁线圈的磁场都起于绕线盘上方的导磁盘，穿过磁流变液的液流间隙和活塞管，然后再次经过磁流变液的液流间隙，沿着位于下方的导磁盘和外缸体，最终回到位于上方的导磁盘形成闭合工作磁回路。

一种如上所述的假肢膝关节的直线型磁流变执行器在假肢膝关节的半主动/主动混合模式中的应用；所述半主动/主动混合模式包括半主动模式和主动模式；

所述的半主动模式为：当笔式推杆电机内的直流电机电压为零时，伸缩杆、电机机座和活塞管之间是固定不动的；因此，当活塞管相对于内缸体移动时，通过改变励磁线圈的电流进而改变内缸体和活塞管两者之间的阻尼力；磁流变阻尼器的受控阻尼力通过伸缩杆输出，实现了执行器的半主动模式；

所述的主动模式为：当给励磁线圈施加最大电流时，活塞管与内缸体之间会产生阻尼力；在保证产生的阻尼力大于伸缩杆推力的情况下，活塞管与内缸体是相对固定的；外缸体、内缸体、活塞管和电机机座之间也是固定不动的；当笔式推杆电机内的直流电机通控制电压时，伸缩杆相对于磁流变阻尼器做伸缩运动，实现了执行器的主动模式。

当活塞管在内缸体中移动时，励磁线圈中的电流和活塞管与内缸体之间的速度共同决定了磁流变阻尼器的阻尼力。

与现有技术相比本发明具有以下优点：

通过采用磁流变阻尼器作为主要的阻尼力控制组件，该假肢膝关节执行器的阻尼力连续、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配合模拟人体膝盖弯曲的动作，且该磁流变执行器可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为本发明直线型磁流变执行器剖面结构示意图。

图2为图1的局部放大图。

图3为本发明直线型磁流变执行器立体结构示意图。

图4为本发明直线型磁流变执行器爆炸结构示意图。

图5为本发明直线型磁流变执行器中导磁盘结构示意图。

图6为本发明直线型磁流变执行器中绕线盘结构示意图。

图7为本发明实施例2的结构示意图。

图8为图7的局部放大图。

图9为本发明实施例3的结构示意图。

附图标记：

1、磁流变阻尼器；2、外缸体；3、内缸体；4、活塞管；5、套筒；6、笔式推杆电机；7、电机机座；8、伸缩杆；9、上端挡；10、密封圈；11、导磁盘；12、绕线盘；13、励磁线圈；14、下端挡；15、磁流变液；16、限位环；17、引线槽；18、引线口；19、传感器；20、控制器；21、电流驱动器；22、电机驱动器；23、活塞头；24、节流通道；25、浮动活塞；26、气缸。

具体实施方式

笔式推杆电机的内部工作原理是由电机机座7内的直流电机带动丝杆转动，从而由丝杆螺母带动伸缩杆8做伸缩运动。其中，由于该笔式推杆电机的丝杆表面是螺纹升角非常小的梯形螺牙(角度≤15°)，因此伸缩杆8与电机机座7之间的螺纹副处于自锁状态，并且伸缩运动只能由直流电机来驱动。即直流电机处于不通电状态时，伸缩杆8与电机机座7之间是固定不动的。

所述半主动/主动混合模式包括半主动模式和主动模式；

所述的半主动模式为：当笔式推杆电机6内的直流电机电压为零时，伸缩杆8、电机机座7和活塞管4之间是固定不动的；因此，当活塞管4相对于内缸体3移动时，通过改变励磁线圈13的电流进而改变内缸体3和活塞管4两者之间的阻尼力；磁流变阻尼器1的受控阻尼力通过伸缩杆8输出，实现了执行器的半主动模式；

所述的主动模式为：当给励磁线圈13施加最大电流时，活塞管4与内缸体3之间会产生阻尼力；在保证产生的阻尼力大于伸缩杆8推力的情况下，活塞管4与内缸体3是相对固定的；外缸体2、内缸体3、活塞管4和电机机座7之间也是固定不动的；当笔式推杆电机6内的直流电机通控制电压时，伸缩杆8相对于磁流变阻尼器1做伸缩运动，实现了执行器的主动模式。

当活塞管4在内缸体3中移动时，励磁线圈13中的电流和活塞管4与内缸体3之间的速度共同决定了磁流变阻尼器1的阻尼力。

实施例1

一种假肢膝关节的直线型磁流变执行器，包括磁流变阻尼器1、传感器19、控制器20和电流驱动器21；所述控制器20连接电流驱动器21，电流驱动器21连接励磁线圈13；所述控制器20连接电机驱动器22，电机驱动器22连接笔式推杆电机6；所述控制器20连接传感器19，传感器19用于测量笔式推杆电机6和活塞杆8的位置，并将信号反馈给控制器20；

所述磁流变阻尼器1由外缸体2、内缸体3、活塞管4和笔式推杆电机6组成；所述内缸体3固定在外缸体2中，且所述内缸体3套设在活塞管4外；所述内缸体3由顶部的上端挡9、底部的下端挡14，以及在上端挡9和下端挡14之间设置的若干导磁盘11和若干绕线盘12组成；在所述的上端挡9和所述的下端挡14与导磁盘11之间均设有密封圈10；每一个绕线盘12设置在两个导磁盘11之间，且在所述绕线盘12上绕有励磁线圈13；所述励磁线圈13与电流驱动器21电性连接；在导磁盘11和绕线盘12与活塞管4之间的间隙内填充有磁流变液15，两端由上端挡9、下端挡14和密封圈10对磁流变液15进行密封；

所述活塞管4套设在笔式推杆电机6外，在活塞管4与笔式推杆电机6之间还设有套筒5；所述笔式推杆电机6由电机机座7和伸缩杆8组成，套筒5和电机机座7是固定的。

进一步，所述导磁盘11、活塞管4和外缸体2均必须采用具有高导磁的软钢材料制成，除所述导磁盘11、活塞管4和外缸体2以外的部分均由非磁性材料制成。

进一步，每个所述绕线盘12的上部和绕线盘12的下部均设有限位环16，且每个所述导磁盘11的上部和导磁盘11的下部均设有与限位环16相对应的凹槽，用于限制绕线盘12和导磁盘11的位置。

进一步，所述套筒5为铜质套筒，用于避免电机运行影响磁流变阻尼器1。

进一步，所述导磁盘11和绕线盘12的一侧开设有引线槽17，用于使缠在绕线盘12上的励磁线圈13通过引线槽17从外缸体2侧面的引线口18引出。

进一步，绕线盘12上的励磁线圈13的缠绕顺序是交错缠绕，用于保证每个线圈之间产生的磁路不冲突。

进一步，每一个励磁线圈13的磁场都起于绕线盘12上方的导磁盘11，穿过磁流变液15的液流间隙和活塞管4，然后再次经过磁流变液15的液流间隙，沿着位于下方的导磁盘12和外缸体2，最终回到位于上方的导磁盘11形成闭合工作磁回路。

实施例2

如图7所示，本实施例与实施例一的不同点在于不再采用固定绕线盘缠励磁线圈的形式，而是采用了双出杆式活塞模式。内缸体3包括顶部的上端挡9、密封圈10和下端挡14，还包括设置在活塞管4中间位置的活塞头23；励磁线圈13缠绕在活塞头23的凹槽中；活塞头23与外缸体2之间形成节流通道24；所述密封圈10设置在上端挡9与活塞管4之间和下端挡14与活塞管4之间；在上端挡9、下端挡14、活塞管4与外缸体2之间形成的密封空间内填充有磁流变液15。如图8所示，本实施例中，所述活塞头23和活塞管4采用导磁率相同的材料制成，电磁场的磁力线从节流通道24径向穿过，并经过活塞头23与外缸体2形成磁场。所述节流通道24的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。

实施例3

如图9所示，本实施例与实施例一的不同点在于磁流变执行器变为单出杆式活塞模式。所述内缸体3包括顶部的上端挡9和密封圈10；还包括设置在活塞管4底部位置的活塞头23；励磁线圈13缠绕在活塞头23的凹槽中；活塞头23与外缸体2之间形成节流通道24；所述密封圈10设置在上端挡9与活塞管4之间；在活塞头23下方与外缸体2底部之间还设有浮动活塞25，外缸体2底部是封闭状态；所述上端挡9、活塞管4、外缸体2和浮动活塞25形成一个封闭腔，且填充有磁流变液15；所述浮动活塞25和外缸体2下部形成一个气缸26，气缸26内充有压缩气体，浮动活塞25和气缸26组成回位装置。用以在半主动模式下的磁流变执行器将活塞回复到缸体顶部。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (10)

1.一种假肢膝关节的直线型磁流变执行器，其特征在于：包括磁流变阻尼器(1)、传感器(19)、控制器(20)、电流驱动器(21)和电机驱动器(22)；

所述控制器(20)分别连接传感器(19)、电流驱动器(21)和电机驱动器(22)；所述电流驱动器(21)连接励磁线圈(13)，所述电机驱动器(22)连接笔式推杆电机(6)，所述传感器(19)用于测量笔式推杆电机(6)和活塞杆(8)的位置，并将信号反馈给控制器(20)；

所述磁流变阻尼器(1)由外缸体(2)、内缸体(3)、活塞管(4)和笔式推杆电机(6)组成；所述内缸体(3)固定在外缸体(2)中，且所述内缸体(3)套设在活塞管(4)外；所述活塞管(4)套设在笔式推杆电机(6)外，在活塞管(4)与笔式推杆电机(6)之间还设有套筒(5)；所述笔式推杆电机(6)由电机机座(7)和伸缩杆(8)组成，套筒(5)和电机机座(7)是固定的；

所述内缸体(3)由顶部的上端挡(9)、底部的下端挡(14)，以及在上端挡(9)和下端挡(14)之间设置的若干导磁盘(11)和若干绕线盘(12)组成；在所述的上端挡(9)和所述的下端挡(14)与导磁盘(11)之间均设有密封圈(10)；每一个绕线盘(12)设置在两个导磁盘(11)之间，且在所述绕线盘(12)上绕有励磁线圈(13)；所述励磁线圈(13)与电流驱动器(21)电性连接；在导磁盘(11)和绕线盘(12)与活塞管(4)之间的间隙内填充有磁流变液(15)，两端由上端挡(9)、下端挡(14)和密封圈(10)对磁流变液(15)进行密封。

2.根据权利要求1所述的一种假肢膝关节的直线型磁流变执行器，其特征在于：所述内缸体(3)包括顶部的上端挡(9)、密封圈(10)和下端挡(14)，还包括设置在活塞管(4)中间位置的活塞头(23)；励磁线圈(13)缠绕在活塞头(23)的凹槽中；活塞头(23)与外缸体(2)之间形成节流通道(24)；

所述密封圈(10)设置在上端挡(9)与活塞管(4)之间和下端挡(14)与活塞管(4)之间；在上端挡(9)、下端挡(14)、活塞管(4)与外缸体(2)之间形成的密封空间内填充有磁流变液(15)；所述活塞头(23)和活塞管(4)采用导磁率相同的材料制成。

3.根据权利要求1所述的一种假肢膝关节的直线型磁流变执行器，其特征在于：所述内缸体(3)包括顶部的上端挡(9)和密封圈(10)；

还包括设置在活塞管(4)底部位置的活塞头(23)；励磁线圈(13)缠绕在活塞头(23)的凹槽中；活塞头(23)与外缸体(2)之间形成节流通道(24)；

所述密封圈(10)设置在上端挡(9)与活塞管(4)之间；在活塞头(23)下方与外缸体(2)底部之间还设有浮动活塞(25)，外缸体(2)底部是封闭状态；

所述上端挡(9)、活塞管(4)、外缸体(2)和浮动活塞(25)形成一个封闭腔，且填充有磁流变液(15)；所述浮动活塞(25)和外缸体(2)下部形成一个气缸(26)，气缸(26)内充有压缩气体，浮动活塞(25)和气缸(26)组成回位装置。

4.根据权利要求1所述的一种假肢膝关节的直线型磁流变执行器，其特征在于：所述导磁盘(11)、活塞管(4)和外缸体(2)均必须采用具有高导磁的软钢材料制成，除所述导磁盘(11)、活塞管(4)和外缸体(2)以外的部分均由非磁性材料制成。

5.根据权利要求1所述的一种假肢膝关节的直线型磁流变执行器，其特征在于：每个所述绕线盘(12)的上部和绕线盘(12)的下部均设有限位环(16)，且每个所述导磁盘(11)的上部和导磁盘(11)的下部均设有与限位环(16)相对应的凹槽，用于限制绕线盘(12)和导磁盘(11)的位置。

6.根据权利要求1所述的一种假肢膝关节的直线型磁流变执行器，其特征在于：所述套筒(5)为铜质套筒，用于避免磁流变阻尼器的磁场影响电机运行(1)。

7.根据权利要求1所述的一种假肢膝关节的直线型磁流变执行器，其特征在于：所述导磁盘(11)和绕线盘(12)的一侧开设有引线槽(17)，用于使缠在绕线盘(12)上的励磁线圈(13)通过引线槽(17)从外缸体(2)侧面的引线口(18)引出。

8.根据权利要求1所述的一种假肢膝关节的直线型磁流变执行器，其特征在于：绕线盘(12)上的励磁线圈(13)的缠绕顺序是交错缠绕，用于保证每个线圈之间产生的磁路不冲突。

9.根据权利要求1所述的一种假肢膝关节的直线型磁流变执行器，其特征在于：每一个励磁线圈(13)的磁场都起于绕线盘(12)上方的导磁盘(11)，穿过磁流变液(15)的液流间隙和活塞管(4)，然后再次经过磁流变液(15)的液流间隙，沿着位于下方的导磁盘(12)和外缸体(2)，最终回到位于上方的导磁盘(11)形成闭合工作磁回路。

10.一种如权利要求1～9任意一项所述的假肢膝关节的直线型磁流变执行器在假肢膝关节的半主动/主动混合模式中的应用，其特征在于：所述半主动/主动混合模式包括半主动模式和主动模式；

所述的半主动模式为：当笔式推杆电机(6)内的直流电机电压为零时，伸缩杆(8)、电机机座(7)和活塞管(4)之间是固定不动的；因此，当活塞管(4)相对于内缸体(3)移动时，通过改变励磁线圈(13)的电流进而改变内缸体(3)和活塞管(4)两者之间的阻尼力；磁流变阻尼器(1)的受控阻尼力通过伸缩杆(8)输出，实现了执行器的半主动模式；

所述的主动模式为：当给励磁线圈(13)施加最大电流时，活塞管(4)与内缸体(3)之间会产生阻尼力；在保证产生的阻尼力大于伸缩杆(8)推力的情况下，活塞管(4)与内缸体(3)是相对固定的；外缸体(2)、内缸体(3)、活塞管(4)和电机机座(7)之间也是固定不动的；当笔式推杆电机(6)内的直流电机通控制电压时，伸缩杆(8)相对于磁流变阻尼器(1)做伸缩运动，实现了执行器的主动模式。