CN212650955U - 一种磁流变阻尼下肢假肢 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种磁流变阻尼下肢假肢，包括：四连杆机构、磁流变阻尼器、小腿杆以及假足；四连杆机构的第一连架杆的U型耳板连接一连接杆，连接杆穿过下连杆的空腔与双出杆结构的活塞杆连接；小腿杆的上下两端分别与磁流变阻尼器以及假足固定。活塞杆采用双出杆结构，在四连杆转动过程中具有更好的导向性；通过残肢接收腔带动四连杆机构转动，进而通过连接杆带动活塞杆往复运动，从而对行走过程中的地面支反力进行缓冲减振，使穿戴者在行走过程中更加舒适；连接杆装配在四连杆机构内部，有效缩短了连接杆的长度，减小了连接杆对活塞杆的附加转矩，从而减小了活塞杆在往复运动过程中与其它构件之间的作用力，对活塞杆起到一定的保护作用。

Description

一种磁流变阻尼下肢假肢

技术领域

本实用新型涉及一种假肢，特别涉及一种剪切式磁流变阻尼下肢假肢。

背景技术

由于目前的科技水平尚无法实现肢体再生，因此，采用一些辅助设备如：拐杖、轮椅、下肢假肢等辅助设备代偿下肢截肢患者失去的行走能力，成为下肢截肢者最主要的康复手段。下肢假肢因其体积小、重量轻、步态美观、易于控制等优点在截肢患者中得以广泛应用。

现有假肢产品按其控制方式可分为：主动型假肢、被动型假肢和半主动型假肢，主动型假肢主要采用电机、液压、气压控制，体积大，能耗高。被动型假肢采用残肢控制，步速固定、协调性差、阻尼要求高。半主动型假肢采用步进电机控制，响应慢、力矩不连续、耗能高。随着科技的发展，新型智能假肢逐渐走入人们的视野，其中磁流变阻尼下肢假肢以其阻尼连续可控、体积小、响应快，能耗低等优点受到越来越多的专家学者的关注。

实用新型内容

本实用新型提供了一种磁流变阻尼下肢假肢，可以解决现有技术中的上述缺陷。

本实用新型的技术方案如下：

一种磁流变阻尼下肢假肢，包括：四连杆机构、磁流变阻尼器、小腿杆以及假足；

所述磁流变阻尼器包括一双出杆结构的活塞杆，所述活塞杆在磁流变液中往复运动并对所述磁流变液产生剪切力；

所述四连杆机构包括上连杆、下连杆、第一连架杆和第二连架杆，所述上连杆通过一残肢接收腔与大腿连接，所述下连杆与所述磁流变阻尼器的上端连接，所述上连杆与所述下连杆之间分别通过所述第一连架杆、所述第二连架杆连接；所述第一连架杆包括一U型耳板，所述下连杆包括一空腔，所述U型耳板连接一连接杆，所述连接杆穿过所述下连杆的空腔并与所述活塞杆的上端连接；所述小腿杆的上下两端分别与所述磁流变阻尼器以及所述假足固定；假肢穿戴者在行走过程中，通过所述残肢接收腔带动所述四连杆机构转动，进而通过所述连接杆带动所述活塞杆往复运动，从而对行走过程中的地面支反力进行缓冲减振。

活塞杆采用双出杆结构，双出杆在四连杆转动过程中具有更好的导向性。将四连杆机构与磁流变阻尼器进行一体化设计，充分利用了四连杆机构能准确模拟人体膝关节瞬心曲线的特点和磁流变阻尼器阻尼可控的特点，使穿戴者在行走过程中步态更加接近正常人步态，且由于磁流变阻尼器的缓冲作用，能够减缓地面对腿部的作用力，穿戴者在行走过程中更加舒适。同时，将小腿与磁流变阻尼器进行一体化设计，磁流变液阻尼器充当小腿的一部分，结构紧凑，外形美观。连接杆装配于四连杆机构内部，有效缩短了连接杆的长度，减小了四连杆转动过程中连接杆对活塞杆的附加转矩，从而减小了活塞杆在往复运动过程中与其它构件之间的作用力，对活塞杆起到一定的保护作用，结构更加紧凑和美观。

较佳地，所述磁流变阻尼器包括一外缸筒，所述外缸筒上设有注液孔，通过所述注液孔向所述磁流变阻尼器内注入磁流变液，使用方便。

较佳地，所述外缸筒上下两端分别通过一端盖固定，所述端盖设有外螺纹，所述磁流变阻尼器分别通过所述端盖与所述下连杆、所述小腿杆螺接。阻尼器与下连杆、小腿杆之间一体化的设计，更加美观，并且螺纹连接的方式更加简单，能够降低生产以及装配成本。

较佳地，所述活塞杆的周向缠绕有励磁线圈，所述活塞杆以及所述励磁线圈在所述外缸筒内上下往复运动，所述励磁线圈产生的磁力线垂直于剪切间隙。剪切式磁流变阻尼器能够提供更好的缓冲与减震作用。

较佳地，所述连接杆包括一杆接头，所述杆接头设有内螺纹，所述活塞杆上端设有外螺纹，所述连接杆通过所述杆接头与所述活塞杆螺纹连接。通过杆接头使连接杆与活塞杆之间的连接更加稳定，连接杆转动更加灵活，同时减小了连接杆与活塞杆直接连接而造成的零件加工工艺的复杂性，从而使四连杆机构转动时能够带动活塞杆往复运动。

较佳地，所述假足的足跟上端设有一支架，所述支架通过一连接套与所述小腿杆连接。假足模拟真人的足部结构，足跟处为一斜面结构，需要通过所述支架形成一平面结构，再通过连接套与小腿杆连接。

较佳地，所述的四连杆机构的各连杆之间通过连接轴连接，各连杆可绕连接轴转动，为减小转动时的摩擦，在各轴孔内均安装有滚动轴承。

较佳地，所述活塞杆内设有布线槽，连接所述励磁线圈的导线布设在所述布线槽内，并从小腿杆引出，避免导线布设在阻尼器外影响美观。

较佳地，还包括一控制器，所述假足的足底设有一压力传感器，所述控制器分别与所述励磁线圈以及所述压力传感器通信连接，所述控制器根据所述压力传感器反馈的电信号的大小控制所述励磁线圈的电流大小。压力传感器用来检测穿戴者在行走过程中受到地面支反力的大小，控制器根据支反力的大小来实时调节励磁线圈中电流的大小，从而间接调控磁流变液的粘度，用以适应不同的路况(如上下楼梯、上下斜坡、平地行走)。

较佳地，还包括一电机，所述电机的输出端与所述四连杆机构连接，所述电机的输入端与所述控制器电连接，所述控制器根据所述压力传感器反馈的电信号的大小控制所述电机的转速。行走时，控制器根据接收到的压力传感器反馈的压力信息，控制电机输出对应的转矩，用以适应不同的路况(如上下楼梯、上下斜坡、平地行走)。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果如下：

第一，本实用新型的活塞杆采用双出杆结构，双出杆在四连杆转动过程中具有更好的导向性；将四连杆机构与磁流变阻尼器进行一体化设计，充分利用了四连杆机构能准确模拟人体膝关节瞬心曲线的特点和磁流变阻尼器阻尼可控的特点，使穿戴者在行走过程中步态更加接近正常人步态，且由于磁流变阻尼器的缓冲作用，能够减缓地面对腿部的作用力，穿戴者在行走过程中更加舒适；同时，将小腿与磁流变阻尼器进行一体化设计，磁流变液阻尼器充当小腿的一部分，结构紧凑，外形美观；另外，连接杆装配于四连杆机构内部，有效缩短了连接杆的长度，减小了四连杆转动过程中连接杆对活塞杆的附加转矩，从而减小了活塞杆在往复运动过程中与其它构件之间的作用力，对活塞杆起到一定的保护作用，并且装配于四连杆机构内部使整体结构更加紧凑和美观。

第二，本实用新型的压力传感器用来检测穿戴者在行走过程中受到地面支反力的大小，控制器根据支反力的大小来实时调节励磁线圈中电流的大小，从而间接调控磁流变液的粘度，用以适应不同的路况(如上下楼梯、上下斜坡、平地行走)。

第三，本实用新型所述下肢假肢为主动控制装置，通过控制电机的转动来带动四连杆转动，从而控制膝关节活塞杆的运动；并且根据压力传感器反馈的电信号的大小控制电机的转矩，从而适应不同的路况，与半主动控制相比主动控制的响应速度更快，控制精度更高。

第四，本实用新型阻尼器的磁场由励磁线圈产生，磁力线垂直于剪切间隙，属于剪切式阻尼器，相对于现有的挤压式阻尼器，进一步提高了减震的效果，因此能够提供更好的穿戴体验；本实用新型的磁流变阻尼下肢假肢具有良好的仿生性能，且能耗低、阻尼力连续可调、易于控制、有助于实现假肢智能化生产。

当然，实施本实用新型的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

图1是本实用新型实施例1的下肢假肢的整体结构示意图；

图2是本实用新型实施例1的下肢假肢的剖面图；

图3是本实用新型实施例1的磁流变阻尼器的结构示意图；

图4是本实用新型实施例1的磁流变阻尼器的另一结构示意图；

图5是本实用新型实施例1的上连杆的结构示意图；

图6是本实用新型实施例1的下连杆的结构示意图；

图7是本实用新型实施例1的第一连架杆的结构示意图；

图8是本实用新型实施例1的第二连架杆的结构示意图；

图9是本实用新型实施例1的连接套的结构示意图；

图10是本实用新型实施例1的端盖的结构示意图；

图11是本实用新型实施例1的假足的结构示意图。

附图标记：四连杆机构1；磁流变阻尼器2；小腿杆3；假足4；活塞杆21；上连杆11；下连杆12；第一连架杆13；第二连架杆14；残肢接收腔5；U型耳板131；连接杆15；空腔121；控制器6；压力传感器7；外缸筒24；端盖25；注液孔241；连接套8；第一连接端81；第二连接端82；励磁线圈22；杆接头16；支架41；套筒42；螺栓10；连接轴9；滚动轴承91。布线槽211；导线100。

具体实施方式

本实用新型公开了一种新型磁流变阻尼下肢假肢，利用四连杆机构能准确模拟人体膝关节瞬心曲线的特点和磁流变阻尼器阻尼可控的特点，将四连杆机构与磁流变阻尼器进行一体化设计，设计出一款基于磁流变阻尼器的多轴磁流变阻尼下肢假肢。励磁线圈通电后，产生感应磁场，通过控制励磁线圈电流的大小，来调控感应磁场强度从而间接控制磁流变液的粘度。假肢穿戴者在行走过程中，由于磁流变阻尼器的缓冲作用，可减小地面对肢体的作用力，从而使穿戴者在行走过程中更加舒适，且四连杆具有良好的仿生性能，能很好的模拟正常人体膝关节特性，从而使穿戴者行走时的步态更加自然。此外，通过足底压力传感器反馈系统，可实时调节磁流变液的粘度，来适应不同的路况(如上下楼梯、上下斜坡等)。该新型磁流变阻尼下肢假肢具有良好的仿生性能，且能耗低、阻尼力连续可调、易于控制、有助于实现假肢智能化生产。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，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实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

下面结合具体实施例，进一步阐述本实用新型。应该理解，这些实施例仅用于说明本实用新型，而不用于限定本实用新型的保护范围。在实际应用中本领域技术人员根据本实用新型做出的改进和调整，仍属于本实用新型的保护范围。

实施例1

一种磁流变阻尼下肢假肢，包括：四连杆机构1、磁流变阻尼器2、小腿杆3以及假足4；参见图1至图11，

磁流变阻尼器2包括一双出杆结构的活塞杆21，活塞杆21在磁流变液中往复运动并对磁流变液产生剪切力；

如图1、图2及图5-8所示，四连杆机构1包括上连杆11、下连杆12、第一连架杆13和第二连架杆14，上连杆11通过一残肢接收腔5与大腿连接，下连杆12与磁流变阻尼器的上端连接，上连杆11与下连杆12之间分别通过第一连架杆13、第二连架杆14连接；第一连架杆13包括一U型耳板131，U型耳板131连接一连接杆15，下连杆12包括一空腔121，连接杆15穿过下连杆的空腔121并与活塞杆21的上端连接；小腿杆3的上下两端分别与磁流变阻尼器以及假足4固定；假肢穿戴者在行走过程中，通过残肢接收腔5带动四连杆机构1转动，进而通过连接杆15带动活塞杆21往复运动，从而对行走过程中的地面支反力进行缓冲减振。

本实用新型的活塞杆21采用双出杆结构，双出杆在四连杆机构1转动过程中具有更好的导向性；将四连杆机构1与磁流变阻尼器进行一体化设计，充分利用了四连杆机构1能准确模拟人体膝关节瞬心曲线的特点和磁流变阻尼器2阻尼可控的特点，使穿戴者在行走过程中步态更加接近正常人步态，且由于磁流变阻尼器的缓冲作用，能够减缓地面对腿部的作用力，穿戴者在行走过程中更加舒适。同时，将小腿杆3与磁流变阻尼器进行一体化设计，磁流变液阻尼器充当小腿的一部分，结构紧凑，外形美观。连接杆15装配于四连杆机构1内部，有效缩短了连接杆15的长度，减小了四连杆机构1转动过程中连接杆15对活塞杆21的附加转矩，从而减小了活塞杆21在往复运动过程中与其它构件之间的作用力，对活塞杆21起到一定的保护作用；并且结构更加紧凑和美观。

参见图3、图4，磁流变阻尼器2包括一外缸筒24，外缸筒24上下两端分别通过一端盖25固定，端盖25通过螺栓固定在外缸筒24两端。外缸筒24上设有注液孔241，通过注液孔241向磁流变阻尼器2内注入磁流变液，使用方便。

较佳地，参见图10，端盖25设有外螺纹，下连杆12设有内螺纹，下连杆12与端盖25之间通过螺纹固定。通过螺纹连接的方式，具有连接稳定可靠的优点。

参见图2、图9，还包括一连接套8，连接套8包括第一连接端81及第二连接端82，第一连接端81及第二连接端82分别设有内螺纹，连接套8的第一连接端81与阻尼器(也即磁流变阻尼器)2的下端盖25之间螺纹连接。小腿杆3设有外螺纹，第二连接端82与小腿杆3螺纹连接。使得阻尼器2与小腿杆3之间一体化，并且螺纹连接的方式更加简单，能够降低生产以及装配成本。

活塞杆21的周向缠绕有励磁线圈22，活塞杆21以及励磁线圈22在外缸筒24内上下往复运动。励磁线圈22与外缸筒24之间形成一预定距离的剪切间隙，励磁线圈22产生的磁力线垂直于剪切间隙，参见图2、图4。励磁线圈22主要是产生磁场，处于磁场中的磁流变液粘度会随磁场强度而变化，活塞杆21运动过程中磁流变液从外缸筒24内壁和活塞杆21之间的间隙流过，从而产生阻力也就是我们说的阻尼力。剪切式磁流变阻尼器具有更好的吸震以及调压作用。

参见图2，连接杆15包括一杆接头16，杆接头16设有内螺纹，活塞杆21上端设有外螺纹，连接杆15通过杆接头16与活塞杆21螺纹连接。通过杆接头16使连接杆15与活塞杆21之间的连接更加稳定，从而使四连杆机构1转动时能够带动活塞杆21往复运动。

参见图2、图11，假足4的足跟上端设有一支架41，支架41通过一套筒42与小腿杆3连接。假足4模拟真人的足部结构，足跟处为一斜面结构，需要通过支架41形成一平面结构，再通过套筒42与小腿杆3连接。支架41通过螺栓10固定在假足4的足跟部，套筒42固定在支架41上端，套筒42设有内螺纹，小腿杆3的下端与套筒42螺纹连接。

较佳地，活塞杆21内设有布线槽211，连接励磁线圈22的导线布设在布线槽211内，如图2所示，并从小腿杆3引出，避免导线100布设在阻尼器2外影响美观，另外还包括一为励磁线圈22供电的电源(图中未示出)。

为防止磁流变液流出，在阻尼器2端部安装有密封圈26。

较佳地，还包括一控制器6，假足4的足底设有一压力传感器7，控制器6分别与磁流变阻尼器2的励磁线圈以及压力传感器7通信连接，控制器6根据压力传感器7反馈的电信号的大小控制励磁线圈的电流大小。压力传感器7用来检测穿戴者在行走过程中受到地面支反力的大小，控制器6根据支反力的大小来实时调节励磁线圈中电流的大小，从而间接调控磁流变液的粘度，用以适应不同的路况(如上下楼梯、上下斜坡、平地行走)。具体的，当上下斜坡时，足底受到地面支反力大，控制器6根据压力传感器7反馈的电信号的，控制输出对应的电流，励磁线圈的电流增大，产生的磁场强度增大，磁流变液的粘度增大，从而提高对活塞杆21的减震与缓冲效果。平地行走时，足底受到的压力较小，控制器6控制控制励磁线圈的电流减小，产生的磁场强度变弱，磁流变液的粘度减小。控制器6可以装配于小腿杆3外，参见图1、图2，也可以装配于小腿杆3内，此处不做限制。

较佳地，的四连杆机构1的各连杆之间通过连接轴9连接，参见图1，各连杆可绕连接轴9转动，为减小转动时的摩擦，在各轴孔内均安装有滚动轴承91。

本实施例中，四连杆机构1由一电机驱动，具体的，电机的输出轴与各连杆之间任一连接轴9连接，电机的输入端与控制器6电连接，控制器6根据压力传感器7反馈的电信号的大小控制电机输出的转矩(也即转速)，电机可以选择步进电机。平地行走时，足底受到地面支反力较小，控制器6接收到压力传感器7反馈的电信号，控制电机输出对应的转矩，电机转速较大，四连杆机构1转动的速度较快，即行走的速度较快。当上下斜坡时，足底受到地面支反力较大，控制器6根据压力传感器7反馈的电信号，控制电机输出对应的转矩，电机转速减小，四连杆机构1的转速以及行走的速度较慢。

工作原理：

本实用新型的压力传感器7用来检测穿戴者在行走过程中受到地面支反力的大小，控制器6根据支反力的大小来实时调节励磁线圈22中电流的大小，从而间接调控磁流变液的粘度，用以适应不同的路况(如上下楼梯、上下斜坡、平地行走)，相对于现有的挤压式阻尼器，本实用新型能够进一步提高了减震的效果，因此能够提供更好的穿戴体验。

本实用新型的控制器6可以选择PLC控制器或具有CM4内核的STM32单片机，控制器的型号并不用于限制本实用新型的保护范围。

以上公开的仅为本实用新型优选实施例。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该实用新型仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本实用新型的原理和实际应用，从而使所属领域技术人员能很好地利用本实用新型。本实用新型仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (10)

1.一种磁流变阻尼下肢假肢，其特征在于，包括：四连杆机构、磁流变阻尼器、小腿杆以及假足；

所述磁流变阻尼器包括一双出杆结构的活塞杆，所述活塞杆在磁流变液中往复运动并对所述磁流变液产生剪切力；

所述四连杆机构包括上连杆、下连杆、第一连架杆和第二连架杆，所述上连杆通过一残肢接收腔与大腿连接，所述下连杆与所述磁流变阻尼器的上端连接，所述上连杆与所述下连杆之间分别通过所述第一连架杆、所述第二连架杆连接；所述第一连架杆包括一U型耳板，所述下连杆包括一空腔，所述U型耳板连接一连接杆，所述连接杆穿过所述下连杆的空腔并与所述活塞杆的上端连接；

所述小腿杆的上下两端分别与所述磁流变阻尼器以及所述假足固定；假肢穿戴者在行走过程中，通过所述残肢接收腔带动所述四连杆机构转动，进而通过所述连接杆带动所述活塞杆往复运动，从而对行走过程中的地面支反力进行缓冲减振。

2.根据权利要求1所述的磁流变阻尼下肢假肢，其特征在于，所述磁流变阻尼器包括一外缸筒，所述外缸筒上设有注液孔，通过所述注液孔向所述磁流变阻尼器内注入磁流变液。

3.根据权利要求2所述的磁流变阻尼下肢假肢，其特征在于，所述外缸筒上下两端分别通过一端盖固定，所述端盖设有外螺纹，所述磁流变阻尼器分别通过所述端盖与所述下连杆、所述小腿杆螺接。

4.根据权利要求2所述的磁流变阻尼下肢假肢，其特征在于，所述活塞杆的周向缠绕有励磁线圈，所述活塞杆以及所述励磁线圈在所述外缸筒内上下往复运动，所述励磁线圈产生的磁力线垂直于剪切间隙。

5.根据权利要求1所述的磁流变阻尼下肢假肢，其特征在于，所述连接杆包括一杆接头，所述连接杆通过所述杆接头与所述活塞杆连接。

6.根据权利要求1所述的磁流变阻尼下肢假肢，其特征在于，所述假足的足跟上端设有一支架，所述支架通过一连接套与所述小腿杆连接。

7.根据权利要求1所述的磁流变阻尼下肢假肢，其特征在于，所述的四连杆机构的各连杆之间通过连接轴连接，各连杆可绕连接轴转动，为减小转动时的摩擦，在各轴孔内均安装有滚动轴承。

8.根据权利要求4所述的磁流变阻尼下肢假肢，其特征在于，所述活塞杆内设有布线槽，连接所述励磁线圈的导线布设在所述布线槽内。

9.根据权利要求1所述的磁流变阻尼下肢假肢，其特征在于，还包括一控制器，所述假足的足底设有一压力传感器，所述控制器分别与所述磁流变阻尼器的励磁线圈以及所述压力传感器通信连接，所述控制器根据所述压力传感器反馈的电信号的大小控制所述励磁线圈的电流大小。

10.根据权利要求9所述的磁流变阻尼下肢假肢，其特征在于，还包括一电机，所述电机的输出端与所述四连杆机构连接，所述电机的输入端与所述控制器电连接，所述控制器根据所述压力传感器反馈的电信号的大小控制所述电机的转速。

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