電子控制的假肢膝關節的製作方法

2023-10-20 09:08:02

專利名稱：電子控制的假肢膝關節的製作方法
技術領域：
一般而言，本發明涉及假肢關節；更具體地說，涉及假肢膝關節的可控制動系統。
背景技術：
已有技術假肢膝關節通常採用三種變矩制動器(1)幹摩擦制動器，使一種材料表面以變力摩擦另一個表面；(2)粘性扭矩制動器，應用經可變尺寸的噴口或節流板噴出的液壓流體；和(3)磁流變(MR)制動器或緩衝器，應用經由固定的噴口或節流板噴出的含有細小懸浮鐵粒的MR流體，其黏度可隨著外加磁場產生變化。假肢中採用的上述現有技術都有不足之處。
儘管幹摩擦制動器可提供不同的扭距範圍，但對它們難於進行控制。摩擦面材料在長期使用中會受到磨損，從而改變制動器的摩擦特性和降低其對扭矩指令的響應。這將引起制動性能的不穩定，對被截肢者的步態產生負面影響並使使用者產生不舒適感。因此，幹摩擦制動器需要經常進行維護及更換配件，從而增加成本和使用費用。
在高負荷情況下，粘性扭矩制動器需要產生較高的壓力，從而容易引起液壓流體的洩漏和產生其他的危險。制動裝置過負荷後將不可能回復到正常狀態，即將導致出現不可逆狀況。因此，應用這種粘性扭矩制動的假肢可能出現事故性失效，危及使用者的安全。
在磁流變制動器中，術語「閥門模式」表示應用與流體流向垂直的可變磁場來控制由噴口流出的MR流體，用其代替傳統的粘性扭矩制動器中閥門的作用。但當MR制動器工作在「閥門模式」下時，它也會造成內部液體壓力的升高和引發上述因過高壓力而導致的失效，從而使應用者處於一定風險之中。

發明內容
正是為克服現有技術的上述某些缺陷而進行了本項發明，本發明的首要目的是提供一種變矩磁流變驅動的假肢膝，其中應用一些交錯配置的轉子和定子來剪切位於它們之間間隙中的磁流變流體。通過使制動器工作在「剪切模式」下，將不會產生流體壓力和壓力的變化或產生的壓力和壓力變化可忽略不計。此外，多重MR流體間隙或流通介面可在低速或站停時產生較大的扭矩而不必採用附加的傳動裝置，同時可提供的動態扭矩範圍也較寬，從而拓寬了本發明的適用性。在本發明的一個最佳實施例中，轉子和定子之間的間隙可以閉合形成摩擦扭矩，從而形成一種可綜合提供黏度扭矩和摩擦扭矩的「混合式」制動系統。
按本發明的一個最佳實施例，對所提供的磁流變驅動假肢膝的下肢運動可進行迅速和精確的控制。所述假肢膝包括一個芯體和一對側板，一些交錯配置的由易磁化和消磁的軟磁材料製作的轉子和定子，一個配置在芯體和轉子和定子之間的電磁鐵，以及一對軸承。芯體和側板由易磁化和消磁的軟磁材料製成並構成磁路。轉子和定子的配置使得在它們之間形成有許多間隙。在這些間隙間充有在膝部運動時受到剪切作用的磁流變流體。電磁鐵響應電流信號可產生可變磁場，以控制磁流變流體的黏度。軸承與轉子和下肢的脛骨部分相連，以將轉動的阻尼扭矩由假肢膝傳送到脛骨部分。
按本發明的另一實施例，所提供的假肢膝可控磁流變制動器用於阻尼膝關節的轉動。所述假肢膝包括一些間隔和交錯配置的軟磁轉子和定子，磁流變流體以及一個磁鐵。轉子和定子相對於假肢膝的轉動軸同心配置。磁流變流體駐留在轉子和定子之間的間隙中。磁鐵響應外施電壓產生可變磁場，所述磁場的磁力線穿過轉子、定子和磁流變流體。對轉子和定子間磁流變流體的剪切可產生準確控制假肢膝轉動的可變扭矩輸出。
按本發明的又一個實施例，所提供的電子控制的假肢膝可產生較寬範圍的動態扭矩。所述假肢膝包括一些轉子和定子，以及可響應外施磁場產生流變的流體。轉子由鐵磁材料製成，它們相對於假肢膝的縱向轉軸可進行轉動並在橫向可以移動。定子也由鐵磁材料製成，定子與轉子交替間隔配置，從而在它們之間形成間隙。定子相對於假肢膝的轉動軸可橫向移動。所述流體駐留在轉子和定子之間的間隙中。在假肢膝轉動的過程中，磁場的驅動將產生對膝轉動的可變阻尼扭矩。
按本發明的再一個實施例，為被截肢者提供了一種可轉動的假肢膝。所述假肢膝包括一個可轉動的內鍵槽，一些與內鍵槽相互嚙合的轉子，一些與轉子交錯配置的定子，一個與定子相互嚙合的外鍵槽，以及駐留在轉子和定子間一些密封間隙中的磁控介質。所述磁控介質響應外施磁場可產生可控的松密度變化，從而使剪切磁控介質的轉子轉動受到準確控制，從而使假肢膝的轉動阻尼受到可變控制，這樣就可使被截肢者的步態更為自然。
按本發明的一個實施例，為假肢膝提供了可變扭矩的磁流變制動器。所述制動器包括一個芯體，一個與芯體第一端相連的第一側板，一個與芯體第二端部相連的第二側板，以及位於第一和第二側板間的可轉動和可橫向移動的葉片。所述制動器進一步包括駐留在葉片與側板之間一對狹隙中的磁流變流體，以及一個可產生磁路通過芯體、第一側板、第二側板、葉片和磁流變流體的磁場的磁鐵。所述狹隙的尺寸應儘量小，使葉片與側板之間在磁場為零時沒有摩擦接觸，從而使假肢膝可靈活擺動並可提供較寬的動態阻尼範圍。
按本發明的另一實施例，為假肢膝提供了一種可控的轉動阻尼器。所述阻尼器包括一些交錯配置的內側轉片和外側轉片，一些磁流變流體膜，一對側板和一個電磁鐵。內側轉片和外側轉片相對於假肢膝的縱軸同心配置。磁流變流體膜駐留在內側轉片和外側轉片間的一些間隙之中。所述一對側板將內側轉子和外側轉子夾在中間，至少有一個側板沿假肢膝的縱軸是可以移動的。所述電磁鐵可建立一個通過內側轉子、外側轉子、磁流變流體和側板的磁場。內側轉子與外側轉子間的相對轉動和至少一個側板的橫向運動將產生控制假肢膝轉動的可變阻尼扭矩。
按本發明的再一個實施例，提供了迅速和準確控制假肢膝轉動的方法。所述假肢膝包括一些交錯配置的由易磁化和消磁的軟磁材料製成的轉子和定子，以及駐留在所述轉子和定子之間一些間隙中的磁流變流體。所述方法包括建立一個磁場使轉子和定子間具有相互吸引力，使相鄰轉子和定子形成摩擦接觸，從而對假肢膝的轉動產生摩擦阻尼。在轉子和定子間隙中的磁流變流體受到剪切作用，從而產生對假肢膝轉動的黏度阻尼。對磁場進行調節可迅速和準確地改變磁流變流體的黏度及相鄰轉子和定子間的吸引力。這樣就提供了可以控制假肢膝屈曲和伸展的可變轉動扭矩。
為概述本發明及其相對於現有技術的優點，以上說明了本發明的一些特點和目標。當然，應當理解，本發明的某一個具體實施例不一定能夠體現本發明的所有特色和優點。因此，具有本領域專門知識和技能的人們可以以某種方式來實施本發明，使本發明所述的某一或某些特色和優點得以實現或突出，而不一定同時強調實現本發明的其他目標和優點。
上述實施例均在本發明的範圍之內。以下將結合附圖祥述本發明的最佳實施例，熟悉本領域的人們由此會更明晰本發明的上述及其它可能的實施狀況，但本發明並不僅僅局限於在此公開的具體實施例。


以上對本發明的性質、特色和優點進行了概述，以下結合附圖的祥述將使熟悉本領域技術的人們更清楚地了解本發明的最佳實施例及對其可能進行的修改。附圖包括圖1為正常人步行周期的示意圖，表明下肢在站立相和擺動相中的各種位置和姿態；圖2為具有本發明一個最佳實施例所述特色和優點的、包括電子控制假肢膝的下肢假肢的結構圖；圖3結構簡圖表明本發明假肢膝一個最佳實施例的總體結構；圖4為一詳細的部件分解透視圖，表明具有本發明一個最佳實施例所述特色和優點的、磁流變驅動的假肢膝結構；圖5為圖4假肢膝的剖視圖；圖6為具有本發明一個最佳實施例所述特色和優點的圖4中芯體的透視圖；圖7為圖6芯體的側視圖；圖8為為圖6芯體的端部視圖；
圖9為具有本發明一個最佳實施例所述特色和優點的圖4中芯體側板的前視圖；圖10為圖9芯體側板的後視圖；圖11為沿圖9中11-11線的截面剖視圖；圖12為圖11中12-12部分的局部放大視圖；圖13為具有本發明一個最佳實施例所述特色和優點的芯體與側板組裝後的前視圖；圖14為沿圖13中14-14線的截面剖視圖；圖15為具有本發明一個最佳實施例所述特色和優點的圖4中內鍵槽的端面視圖；圖16為沿圖15中16-16線的截面剖視圖；圖17為圖16中17-17部分的局部放大視圖；圖18為具有本發明一個最佳實施例所述特色和優點的圖4中一個轉子的前視圖；圖19為圖18轉子的側視圖；圖20為具有本發明一個最佳實施例所述特色和優點的圖4中一個定子的前視圖；圖21為圖20定子的側視圖；圖22為具有本發明一個最佳實施例所述特色和優點的圖4中外鍵槽的透視圖；圖23為圖22外鍵槽的端部視圖；圖24為圖22外鍵槽的俯視圖；圖25為沿圖23中25-25線的截面剖視圖；圖26為具有本發明一個最佳實施例所述特色和優點的芯體透視圖；圖27為圖26芯體的側視圖；圖28為圖26芯體的端部視圖；圖29為具有本發明一個最佳實施例所述特色和優點的芯體側板的透視圖；圖30為圖29芯體側板的前視圖；圖31為圖29芯體側板的後視圖；
圖32為沿圖31中32-32線的截面剖視圖；圖33為圖32中33部分的局部放大視圖；圖34為具有本發明一個最佳實施例所述特色和優點的第二芯體側板的透視圖；圖35為圖34芯體側板的後視圖；圖36為沿圖35中36-36線的截面剖視圖；圖37為具有本發明一個最佳實施例所述特色和優點的磁鐵線圈的透視圖；圖38為圖37磁鐵線圈的端部視圖；圖39為沿圖38中39-39線的截面剖視圖；圖40為具有本發明一個最佳實施例所述特色和優點的內鍵槽的透視圖；圖41為圖40內鍵槽的端部視圖；圖42為圖40內鍵槽的側視圖；圖43為圖41中43-43部分的局部放大視圖；圖44為圖42中44-44部分的局部放大視圖；圖45為具有本發明一個最佳實施例所述特色和優點的一個轉子的前視圖；圖46為圖45轉子的側視圖；圖47為圖45中47-47部分的局部放大視圖；圖48為具有本發明一個最佳實施例所述特色和優點的一個定子的透視圖；圖49為圖48定子的側視圖；圖50為圖48中50-50部分的局部放大視圖；以及圖51為本發明磁流變驅動假肢膝另一個最佳實施例的結構剖視圖，其中磁路通過假肢膝的外部。
具體實施例方式
了解正常人的行走/跑動過程是設計和開發有效的下肢假肢的基礎，以便能藉助假肢實現人體的可控運動。正常人的行走步態可被描述為導致人體重心不斷向前移動的下肢和軀體的一系列有節奏的交替運動。
如圖1所示，由一個下肢10的腳踵觸地到所述下肢10腳踵的下一次觸地之間發生的一系列運動構成了一個典型的步行周期。下肢10包括腳部12和通過膝或膝關節18相連的大腿16和小腿14。在一個步行周期中，下肢要經歷一個站立相20和一個擺動相22。
站立相20始於腳踵觸地24，即腳踵接觸地板或支撐地面，同時站立相膝關節開始產生輕微彎曲。膝關節的彎曲有益於吸收衝擊和使人體重心在站立相基本保持垂直。
緊接著腳踵觸地24之後的是全足放平階段26，此時腳底開始保持與地面的接觸。站立相膝關節在經歷其最大彎曲後再次伸展，直至達到站立相中期28時的最大伸展程度，此時，人體體重剛好轉到支撐下肢的垂直方向並有以腳為軸繼續向前轉動的趨勢。
在腳踝之上人體繼續向前轉動時，腳踵在腳踵離地階段30中開始離開地面。此後，人體在腓腸肌的推力作用下被推動向前(蹬離期)。這種推動力一直保持到全腳離開地面的腳趾離地階段32。
在站立相後期，支撐腿的膝關節開始彎曲，以便腿腳離開地面進入擺動相階段。在文獻中一般將其稱為「膝關節屈曲」。此時另一腳開始觸地，人體處於「雙腿支撐模式」，即體重由兩條腿進行支撐。
在腳趾離地期32，隨著髖關節的彎曲和膝關節在膝關節屈曲過程中彎曲到一定角度，腳部離開地面，膝關節進一步彎曲進入擺動相。在擺動中期34達到最大彎曲後，膝關節開始伸展，進入擺動加速期。在膝關節達到完全伸展後，又進入下一個腳踵觸地期24，腳部再次觸地，進入下一個步行周期。
一般而言，直立態為解剖位，因此，屈曲為人體某一部位離開伸展態或站立相或解剖位的運動。這樣，膝關節的彎曲是一種膝屈曲。而伸展是下肢向解剖位的運動，因此，膝關節的伸展是一種在「伸直」方向上的膝關節運動。
在平面上的典型步行行進中，最大屈曲角αF約為70-80度角，最大伸展角αE接近180度。也就是說在平地步行中，正常人膝關節要轉動70-80度角，由站立相初期和中期的完全伸展位轉到腳趾離地之後的屈曲70-80度角。在其它狀態下，例如在取坐位時，最大屈曲角αF約為140-150度。
系統概述圖2為按本發明一個實施例的假肢100的結構圖，所述假肢100包括電子控制的轉動膝關節，具有本發明的特色和優點。如以下將要詳細描述的，所述轉動假肢膝包括一個變矩磁流變制動系統110，可在被截肢者進行步行或運動時提供適當阻力以模擬天然膝關節的體位和運動。仿真膝110的一端在機械上與一個殘留肢套102相連，所述殘留肢套102用於同被截肢者的殘留肢或股骨104進行配合；仿真膝110的另一端在機械上與一個懸杆或脛骨部件106相連，後者再與假肢足或仿真足108相連。
本發明假肢膝關節110的優點在於可使被截肢者適應各種環境，在較廣泛的環境條件下進行舒適和安全的運動，例如進行行走、跑動、坐下等動作，或適應環境條件的變化進行一些更為激烈和精巧的動作-如提起手提箱和走下斜坡等。
在下肢承重時，仿真膝關節110可提供站立相控制，減少發生彎折的可能性。同時，假肢膝110還可提供空中擺動控制，使膝關節在腳踵觸地的瞬間或之前平穩和自然地達到完全伸展狀態。此外，通過適當調節阻尼扭矩的範圍和幅度，假肢膝110可適用於具有不同體重、身高和活動要求的廣泛患者。
本發明仿真膝110最好用於膝上(A/N)被截肢者。或者，考慮到實現本發明的一個或多個優點和提供一種具有自然感受和安全的假肢，本發明仿真膝110在期望和需要時也可用於在膝關節處進行截肢的膝部(K/D)被截肢者。
圖3為一個簡化的結構圖，表明按本發明一個實施例的轉動假肢膝或磁流變(MR)制動系統110。所述假肢膝110包括一個被電磁鐵或磁鐵線圈114包圍的芯體112，它在機械上與一對側板116和118相連。通過控制流過電磁鐵114的電流，可以產生可變磁場。芯體112及側板116和118最好採用鐵磁類材料製造，採用具有高飽和磁通密度的易磁化和消磁的軟磁材料進行製造則更好。
假肢膝110進一步包括一些與內鍵槽122相連的內側葉片120。內鍵槽122環繞或包圍電磁鐵114並在機械上與側板116和118相連。內側葉片120最好相對於轉動制動軸124做同心配置。內鍵槽122最好可繞膝關節轉動軸124進行轉動，從而使內側葉片或轉子120及側板116和118也可繞其轉動。內鍵槽122的轉動相應於小腿(膝下部分)的轉動或運動。
假肢膝110還包括一些與外鍵槽132相連的外側葉片130。外鍵槽132環繞或包圍內鍵槽122。外側葉片130最好相對於轉動制動軸124同心配置。外鍵槽132最好可繞膝關節轉動軸124轉動，從而使外側葉片或定子130也可繞其進行轉動。外鍵槽132的轉動相應於大腿(膝上部分)的轉動或運動。外鍵槽或外罩132包括有便於假肢膝關節110與適當殘留肢套互相連接的結構。外鍵槽132及定子130最好相對於殘留肢或殘留肢套是不可轉動的或非可轉與其相連。
一些轉子120和定子130交錯配置，它們之間的間隙充有磁流變流體134，即磁流變流體134駐留在內鍵槽122和外鍵槽132之間形成的通路或腔槽中。在一個最佳實施例中，位於相鄰轉子120和定子130之間的磁流變流體134構成相鄰轉子120和定子130間的液膜。處於側板116和118及相鄰定子130之間的磁流變流體切變也可起到對膝關節轉動進行阻尼的作用。
在膝關節轉動時，轉子120和定子130一些間隙中的磁流變流體受到剪切和出現切變，從而產生阻尼扭矩以控制肢體的轉動。葉片120和130最好由鐵磁材料製作，用具有高飽和磁通的易磁化和消磁的軟磁材料製作則更好，因其具有更大的機械上的適用性。
膝關節110進一步包括一對分別與相應側板116和118相連的滾珠軸承126和128，滾珠軸承126和128進一步與相應的側板或安裝支架136和138相連。這樣，在內鍵槽122與安裝支架136和138之間就建立起了轉動連接。安裝支架136和138與外鍵槽132共同構成膝關節110的主要外殼。側板或安裝支架136和138最好包括有便於假肢膝關節同懸杆或脛骨互相連接的結構，其具體說明如下。
芯體112和電磁鐵114也最好能隨著內鍵槽122、轉子120、側板116和118以及安裝支架136和138的轉動而轉動。定子130隨著外鍵槽132的轉動而轉動。
轉子120固定在內鍵槽122上並可隨其一起轉動，定子130固定在外鍵槽132上並可隨其一起轉動。在膝關節轉動或行進的不同階段，轉子120可能繞膝關節轉動軸124轉動而定子130相對靜止，或者定子130轉動而轉子120靜止，或者二者都進行轉動或均相對靜止。在此使用「轉子」和「定子」這兩個術語是為了區分內側葉片120和外側葉片130，雖然它們都是可能轉動的，也是為了說明在轉子120和定子130之間可產生相對轉動(在相鄰轉子120和定子130之間的間隙將產生磁流變流體的切變)。因此，也可將葉片120稱之為「內側轉子」，將葉片130稱之為「外側轉子」。
為激勵磁鐵114以產生磁場，需要在膝關節110中配置磁通迴路140。在一個最佳實施例中，磁場140依次通過芯體112，通過側板118向外輻射，側向通過交錯配置的轉子120和定子130及磁流變流體134，然後通過側板116向內斂聚。通常將穿過芯體112及側板116和118的這部分磁場140定義為磁通迴路，而將穿過轉子120、定子130和磁流變流體134的磁場定義為有效磁場或功能磁場。
依據外施磁場強度的變化，磁流變流體134將產生流變學或黏度變化。這種流體黏度的變化又進一步決定了所產生的切變力/應力、扭矩或轉動阻尼的大小，從而決定了假肢膝所提供的阻尼程度。這樣，通過控制磁場強度就可控制假肢的運動，例如控制擺動相和站立相期間的屈曲和伸展程度，從而使被截肢者能夠更自然和安全地行動。
在一個最佳實施例中，轉子120和定子130在側向142的方向上可進行移動，相鄰轉子120和定子130在磁場的作用下可產生彼此間的接觸摩擦，摩擦力取決於磁場強度，這樣可形成磁流變與摩擦阻尼相「混合」的制動系統。在另外一個實施例中，轉子120和定子130相對內鍵槽122和外鍵槽132的側向位置是固定的，在這種情況下，制動靠的是磁流變或黏度的作用。或者，在期望和需要時可使一些轉子120和定子130側向固定而使另一些轉子120和定子130可側向移動，以實現本發明的一個或多個特色與優點和提供具有自然感和安全的假肢。在一個實施例中，側板116和118也可側向移動，由於同相鄰定子130的接觸摩擦而起到摩擦阻尼的作用。
通過採用剪切模式進行工作，本發明磁流變假肢膝內不會產生流體壓力或產生的壓力可忽略不計。這樣，可以消除或減少出現液體洩漏和假肢膝損壞的可能性，從而提高器具的安全性。
如最佳實施例所述，本發明所提供的多重切變面或流通介面具有扭矩倍增器的作用，可使黏度扭矩逐步增加到預期的最大值，而無須採用額外的變速傳動或輔助部件。例如，如果兩個流通介面可產生的最大阻尼扭矩為1牛頓/米，那麼40個介面將產生40牛頓/米的黏度阻尼扭矩。與此比較，如果採用40∶1的變速傳動部件來增加黏度扭矩，則不僅會使系統的慣量增加近1600倍，而且系統的重量、尺寸和複雜性也將大大增加。
本發明實施例假肢膝中提供的多重切變面或介面還可用於產生較寬的動態扭矩範圍，從而可為患者提供更為自然和安全的假肢器具。同時本發明實施例所示磁流變假肢膝還可提供迅速和精確的反應，從而使患者可進行更自然和安全的行動。
磁流變驅動的假肢膝圖4和圖5表明一個具有本發明一個實施例所述特色和優點的可控轉動假肢膝關節210。假肢膝210可產生所需的相對於假肢膝轉軸224的耗散力或阻尼扭矩。
可進行電子控制的假肢膝210包括一個在機械上與一對可轉動側板216和218相連的芯體212，電磁鐵214，一些同可轉內鍵槽222機械相連的轉子220，一些同可轉外鍵槽232機械相連的定子230，以及一對用於向一對側板或叉狀結構236和238進行轉動傳動的滾珠軸承226和228。所述轉動是繞假肢膝轉軸224進行的。
所述的一些轉子220和230交錯配置，相鄰的轉子220和定子230之間的間隙或狹隙間駐留有磁流變流體的潤滑膜，即駐留在內鍵槽222和外鍵槽232之間形成的腔槽中。通過剪切處於相鄰轉子220和定子230之間多個間隙或流通介面中的磁流變流體，本實施例提供了一種具有較寬動態扭矩範圍的可控和可靠的假肢膝關節。
在假肢膝210中，採用端部具有螺紋的螺杆248和螺帽250使假肢膝的部件相互連接，這樣既可便於組裝和拆卸又能減少所用的連接件。或者在期望和需要時，考慮實現本發明文件所述的一個或多個特色和優點以及能夠保證部件間的有效連接，也可採用螺栓、銷釘、楔榫、夾緊螺釘等其它各種形式的連接件。
芯體及與其配合的側板(磁通迴路)芯體212及側板216和218最好由具有高飽和磁通密度和高導磁率的易磁化和消磁的軟磁材料製作。這樣，當電磁鐵被激勵產生磁場時，在假肢膝210內可建立起磁通迴路。在一個最佳實施例中，磁場在縱向(平行於轉軸224)穿過芯體212，以輻射狀通過側板218，側向(平行於側向242)通過交錯配置的轉子220和定子230及磁流變(MR)流體，以輻射狀通過側板216。
電磁鐵214的取向或定位及流過它的電流方向決定了磁場的極性，並從而決定了磁場通過側板218或216是向外輻射還是向內斂聚。磁場通過芯體212及側板216和218的部分一般被定義為磁迴路，而磁場通過轉子220、定子230以及在它們之間駐留的MR流體的部分通常被定義為有效磁場或功能磁場。
圖6-8表明假肢膝210芯體212的一個實施例。芯體212最好為圓柱形，它包括兩個圓柱體252和254，圓柱體252的直徑大於圓柱體254的直徑。圓柱體252的尺寸和結構使其能夠同側板216的腔槽緊密配合，圓柱體254的尺寸和結構使其能夠同側板218的腔槽緊密配合。這樣，芯體212就可隨側板216和218的轉動而轉動。在其它的最佳實施例中，在期望和需要時，芯體212也可採用其它有效的形狀和尺寸，只要能夠提供結構緊湊、重量小和可靠耐用的假肢膝和實現本發明文件所述的一個或多個特色和優點。
芯體212最好用具有高飽和磁通密度、高導磁率和低矯頑磁力的材料進行製造。這樣，有利於使假肢膝或制動器結構緊湊、重量小和堅固可靠。在一個最佳實施例中，芯體212為一個綜合整體。在另一個最佳實施例中，芯體212由薄片迭層構成，以減少渦流損失。
芯體212最好由具有高飽和磁通密度的鐵鈷合金製作。在一個最佳實施例中，芯體212由德國Hanau的Vacuumschmelze生產的Vacoflux 50進行製造。在另一個最佳實施例中，芯體212由高飽和磁通鐵鈷合金ASTM A-801-1型合金製造。在又一個實施例中，芯體212採用了德國Hanau Vacuumschmelze的Vacoflux 17進行製造。在再一個實施例中，芯體212採用Hiperco Alloy 50進行製造。在其它最佳實施例中，當期望或需要時，芯體212也可採用其它的具有高飽和磁通、高導磁率和低矯頑磁力的材料進行製造，只要能夠使所提供的假肢膝結構緊湊、重量輕和堅固可靠以及能夠實現本發明文件所述的一個或多個特色和優點。
在一個最佳實施例中，芯體212製造材料的飽和磁通密度約為2.2T(泰斯拉)。需要材料具有如此之高的飽和磁通密度，因為它可使所設計的產品重量輕和結構緊湊。例如，如果採用具有較低飽和磁通密度的材料，為達到同樣的最大扭矩和最大的動態扭矩範圍，就必須加大芯體212在外施磁場穿過方向上的截面面積。在其它最佳實施例中，在期望和需要時，也可採用飽和磁通密度較高或較低的材料，只要能夠使所提供的假肢膝結構緊湊、重量輕和堅固可靠以及能夠實現本發明文件所述的一個或多個特色和優點。
為獲得良好的磁學性能，芯體212在機械加工後最好在氫氣氣氛中進行熱處理。在其它的最佳實施例中，當期望或需要時，芯體212也可採用鑄造、鍛造、模壓、層壓等方法進行製造，只要能夠使所提供的假肢膝結構緊湊、重量輕和堅固可靠以及能夠實現本發明文件所述的一個或多個特色和優點。
在一個最佳實施例中，參閱圖7，芯體212的結構尺寸為長度L71約為3.076釐米(1.211英寸)，長度L72約為0.61釐米(0.240英寸)，直徑D71約為1.728釐米(0.6805英寸)，直徑D72約為1.424釐米(0.5605英寸)。在另一個最佳實施例中，直徑D71和D72約為1.9l釐米(0.750英寸)。在其它的最佳實施例中，當期望或需要時，芯體212也可採用其它的結構尺寸，只要能夠使所提供的假肢膝結構緊湊、重量輕和堅固可靠以及能夠實現本發明文件所述的一個或多個特色和優點。
圖9-12表明假肢膝210芯體側板216的一個最佳實施例。側板216最好為圓環形，中央有一個圓形的腔槽或通孔256，用於同芯體圓柱體252的自由端進行緊密的配合和連接。這種配合和連接最好通過壓配合進行。在期望和需要時，側板216和腔槽256也可採用其它有效的形狀和結構。
在一個實施例中，另一個側板218的形狀、結構和尺寸與圖9-12所示的側板216大體相同，只是其圓形腔槽的形狀和尺寸要與芯體圓柱體部分254進行緊密的配合和連接-最好通過壓配合予以實現。因此，可以理解，對芯體側板216的詳細描述在很大程度上足以體現側板218的相應特徵，在此不再贅述以使本公開文件更為簡要和清晰。
側板216包括一些等距環形排列的通孔258，用於接受端部帶螺紋的螺杆或螺帽等連接件，以便將假肢膝的各種部件組裝起來。在一個最佳實施例中，側板216上有5個通孔258；在另一個實施例中，側板216包括有3個通孔258。在期望和需要時，也可採用其它形式排列的或多或少的通孔258。
芯體側板216最好包括一個環形槽260，用於接受環形密封圈(墊)262，為可轉動的側板216和可轉動的外鍵槽232的內表面之間提供動態密封，以防止假肢膝210中的MR流體洩漏。另一個側板218也有用於接受環形密封圈(墊)262的同樣結構(圖4)，以提供動態密封。在其它一個最佳實施例中，為在芯體側板216和218及外鍵槽232之間提供動態密封，在外鍵槽232的內面上配置了兩個溝槽或法蘭。
環形密封圈(墊)262由適當的橡膠類材料-例如採用氟化橡膠、聚四氟乙烯和聚氯丁橡膠等進行製作。在一個最佳實施例中，環形密封圈(墊)262的內徑約為50毫米，寬度約為1.5毫米。在其它的最佳實施例中，當期望或需要時，也可採用其它結構和尺寸的有效動態密封手段，只要能夠提供可靠的密封和實現本發明文件所述的一個或多個特色和優點。
側板216的內面最好有一個環形的凸肩或臺階264(圖4)，用於同內鍵槽222的定位配合。側板216的外表面最好有一個環形的凸肩或臺階266(圖4)，用於同外側叉狀結構236(圖4)的定位配合。臺階266最好包括一個用於通過導線的切口268。在中央腔槽256的周圍還開有可通過導線的一些其它孔。芯體側板216的外表面包括一個錐形結構270，以便減輕重量、節約材料和為組裝留出便利空間。
芯體側板216最好採用具有高飽和磁通密度、高導磁率和低矯頑力的材料製作，以有利於製造重量輕、結構緊湊和堅固可靠的假肢膝。在一個最佳實施例中，側板216為一個綜合的整體結構；在另一個最佳實施例中，側板216為可減少渦流損失的薄片迭合結構。
芯體側板216最好由具有高飽和磁通密度的鐵鈷合金製作。在一個最佳實施例中，芯體側板216由德國Hanau Vacuumschmelze的Vacoflux 50進行製造。在另一個實施例中，芯體側板216採用高飽和磁通鐵鈷合金ASTM A-801-1型合金製造。在又一個實施例中，芯體側板216採用德國Hanau Vacuumschmelze的Vacoflux 17進行製造。在再一個實施例中，芯體側板216由Hiperco Alloy 50進行製造。在其它最佳實施例中，當期望或需要時，芯體側板216也可採用其它的具有高飽和磁通、高導磁率和低矯頑磁力的材料進行製造，只要能夠使所提供的假肢膝結構緊湊、重量輕和堅固可靠和實現本發明文件所述的一個或多個特色和優點。
在一個最佳實施例中，芯體側板216製造材料的飽和磁通密度約為2.2T(泰斯拉)。需要材料具有如此之高的飽和磁通密度，因為它可使所設計的產品重量輕和結構緊湊。例如，如果採用具有較低飽和磁通密度的材料，為達到同樣的最大扭矩和最大的動態扭矩範圍，就必須加大芯體側板216在外施磁場穿過方向上的截面面積。在其它最佳實施例中，在期望和需要時，也可採用飽和磁通密度較高或較低的材料，只要能夠使所提供的假肢膝結構緊湊、重量輕和堅固可靠以及能夠實現本發明文件所述的一個或多個特色和優點。
為獲得良好的磁學性能，芯體側板216在機械加工後最好在氫氣氣氛中進行熱處理。在其它的最佳實施例中，當期望或需要時，側板216也可採用鑄造、鍛造、模壓、層壓等方法進行製造，只要能夠使所提供的假肢膝結構緊湊、重量輕和堅固可靠以及能夠實現本發明文件所述的一個或多個特色和優點。
在一個最佳實施例中，參閱圖9，芯體側板216的結構尺寸為主直徑D91約為5.240釐米(2.063英寸)，端部直徑D92約為2.845釐米(1.120英寸)，直徑D93約為1.727釐米(0.680英寸)，直徑D94約為2.82毫米(0.111英寸)。直徑D93的尺寸應能為芯體圓柱體252的自由端與側板216的中央腔槽256間提供緊密的壓配合。在另一個最佳實施例中，中央腔槽256的直徑D93約為1.91釐米(0.750英寸)。另一個側板218相應腔槽的直徑應能同芯體圓柱體254的自由端進行壓配合的緊密連接。在其它的最佳實施例中，當期望或需要時，芯體側板216和218也可採用其它的結構尺寸，只要能夠使所提供的假肢膝結構緊湊、重量輕和堅固可靠以及能夠實現本發明文件所述的一個或多個特色和優點。
在一個最佳實施例中，參閱圖10，芯體側板216的結構尺寸為直徑D101約為2.43釐米(0.958英寸)，直徑D102約為2.29釐米(0.900英寸)，寬度W101約為3.3毫米(0.13英寸)。在其它的最佳實施例中，當期望或需要時，芯體側板216也可採用其它的結構尺寸，只要能夠使所提供的假肢膝結構緊湊、重量輕和堅固可靠以及能夠實現本發明文件所述的一個或多個特色和優點。
在一個最佳實施例中，參閱圖11，芯體側板216的結構尺寸為直徑D111約為5.011釐米(1.973英寸)，直徑D112約為4.801釐米(1.890英寸)，直徑D113約為2.461釐米(0.969英寸)，直徑D114約為3.56釐米(1.40英寸)，寬度W111約為5.59毫米(0.220英寸)，寬度W112約為0.508毫米(0.020英寸)，寬度W113約為1.27毫米(0.050英寸)，角度θ111約為135度角。在其它的最佳實施例中，當期望或需要時，芯體側板216也可採用其它的結構尺寸，只要能夠使所提供的假肢膝結構緊湊、重量輕和堅固可靠以及能夠實現本發明文件所述的一個或多個特色和優點。
在一個最佳實施例中，參閱圖12，芯體側板216的結構尺寸為長度121約為1.14毫米(0.045英寸)，寬度W121約為2.79毫米(0.110英寸)，寬度W122約為1.52毫米(0.060英寸)，寬度W123約為0.64毫米(0.025英寸)，寬度W124約為0.97毫米(0.038英寸)，圓角半徑R121約為0.254毫米(0.010英寸)到0.127毫米(0.005英寸，圓角半徑R122約為3.81毫米(0.15英寸)。在其它的最佳實施例中，當期望或需要時，芯體側板216也可採用其它的結構尺寸，只要能夠使所提供的假肢膝結構緊湊、重量輕和堅固可靠以及能夠實現本發明文件所述的一個或多個特色和優點。
芯體側板216和218在機械上與相應軸承226和228相連(圖4)，可將轉動由內鍵槽222(及轉子220)傳到相應的外側叉狀支架236和238，後者在機械上與假肢脛骨相連。軸承可採用現有的各種適用軸承。在一個最佳實施例中，採用了Torrington Company of Torrington，Connecticut公司的AST P/N B544DDXA滾珠軸承。
電磁鐵或電磁線圈214(圖4)包圍著芯體212，它在機械上與芯體212和/或芯體側板216和218相連，因此它將同芯體212和/或側板216和218一起轉動。芯體212也包括一個繞有線圈的繞線管或線圈。應對線圈的匝數進行優化。在一個最佳實施例中，線圈的匝數為340圈。在其它的最佳實施例中，當期望或需要時，線圈匝數也可採用比上述匝數多一些或少一些，只要能夠使性能優化以及可實現本發明文件所述的一個或多個特色和優點。
電磁鐵214的線圈導線採用AWG 30標準尺寸的電磁銅線繞制。在其它的最佳實施例中，當期望或需要時，也可採用其它型號的導線進行繞制，只要能夠優化磁鐵性能和能夠實現本發明文件所述的一個或多個特色和優點。
圖13-14表明本發明MR驅動假肢膝中芯體212與側板218製成一體的一個最佳實施例。當期望或需要時，可將兩個側板都與芯體212製成一個整體。圖13-14所示實施例具有上述的一些性質和優點，在此不再贅述以使公開文件清晰和簡要，以下僅對其結構特點做一些補充說明。
側板218具有一對通孔272，用於使導線通過。芯體側板218的端部具有一個便於同另一側板216進行壓配合的錐形結構274。
在一個最佳實施例中，參閱圖13，芯體212和芯體側板218的結構尺寸為主直徑D131約為5.240釐米(2.063英寸)，端面直徑D132約為2.845釐米(1.120英寸)，直徑D133約為2.46釐米(0.969英寸)，直徑D134約為2.82毫米(0.111英寸)，直徑D135約為1.78毫米(0.070英寸)，長度L131約為11.2毫米(0.440英寸)，長度L132約為0.98毫米(0.385英寸)。在其它的最佳實施例中，當期望或需要時，芯體212和芯體側板218也可採用其它的結構尺寸，只要能夠使所提供的假肢膝結構緊湊、重量輕和堅固可靠以及能夠實現本發明文件所述的一個或多個特色和優點。
在另一個最佳實施例中，參閱圖14，芯體212和芯體側板218的結構尺寸為直徑D141約為4.801釐米(1.890英寸)，直徑D142約為2.461釐米(0.969英寸)，直徑D143約為1.728釐米(0.6805英寸)，直徑D144約為3.56釐米(1.40英寸)，直徑D145約為2.43釐米(0.958英寸)，直徑D146約為2.16釐米(0.849英寸)，寬度W141約為5.59毫米(0.220英寸)，寬度W142約為0.508毫米(0.020英寸)，寬度W143約為1.27毫米(0.050英寸)，寬度W144約為2.52釐米(0.991英寸)，角度θ141約為135度角，錐形結構274的長度約為0.508毫米(0.02英寸)，其錐度約為45度。在另一個最佳實施例中，直徑D143約為1.91釐米(0.750英寸)。在其它的最佳實施例中，當期望或需要時，芯體212和芯體側板218也可採用其它的結構尺寸，只要能夠使所提供的假肢膝結構緊湊、重量輕和堅固可靠以及能夠實現本發明文件所述的一個或多個特色和優點。
內鍵槽圖15-17表明假肢膝210內鍵槽222的一個最佳實施例。內鍵槽222最好為圓筒形，中央有一個圓形的腔槽或通孔276，用於同電磁鐵或電磁線圈276進行配合(圖4)。或者在期望和需要時，也可採用其它適當結構形式的內鍵槽222和腔槽或通孔276。
內鍵槽222最好包括總體排列成圓環形、彼此等距配置的一些縱向通孔278，用於接受螺杆和螺帽等連接件，以便將側板216、218和內鍵槽222等假肢膝部件連接起來。通孔278與芯體側板216和218上的相應孔應相互對齊。在一個最佳實施例中，內鍵槽包括5個通孔278；在另一個最佳實施例中，內鍵槽222包括有三個通孔278。當期望或需要時，也可採用以其它形式配置的或多或少的通孔278。
內鍵槽222通常包括一個用於放置環形密封圈(墊)282的環形溝槽260(圖4)，以便為內鍵槽222與側板216和218間提供靜態密封和防止MR流體從假肢膝210中洩漏，因為這些部件在假肢膝轉動時會一起轉動。在另一個實施例中，在一個或兩個側板216和218的內面也配置了用於接受環形密封圈的相應溝槽，以提供靜態密封。
環形圈282由合適的橡膠類材料製作，例如採用氟化橡膠、聚四氟乙烯或聚氯丁橡膠等。在一個最佳實施例中，環形圈的內徑約為30.5毫米(1.201英寸)，寬度約為0.76毫米(0.03英寸)。在其它實施例中，當期望或需要時，也可採用其他形式的靜態密封結構，只要能夠提供有效的密封以及可以實現本發明文件所述的一個或多個特色和優點。
內鍵槽222的外表面有一些等距間隔配置的溝槽284，用於同轉子220的輪齒相互嚙合。在一個最佳實施例中，溝槽284為半圓形；在另一個實施例中，溝槽284為帶圓角的矩形或方形。在其它實施例中，當期望或需要時，溝槽284也可採用其他的結構和形式，只要能夠提供由轉子220到內鍵槽222的有效傳動以及可以實現本發明文件所述的一個或多個特色和優點。
內鍵槽222由鈦或鈦合金製作，採用6AI4V鈦合金進行製作則更好。採用鈦或鈦合金的好處是可提供近似於零的導磁率，同時在與轉子進行嚙合和傳動時又能提供重量輕、具有相當強度和硬度的接觸面。另外一個優點是可減少因感生渦流產生的能量損失，因為鈦和鈦合金材料具有較高的電阻率。在其它實施例中，當期望或需要時，內鍵槽222也可採用其他金屬、合金、塑料、陶瓷等材料進行製作，只要能使內鍵槽222具有接近為零的導磁率、能夠使所提供的假肢膝重量輕、結構緊湊和堅固耐用、以及可以實現本發明文件所述的一個或多個特色和優點。
內鍵槽222一般通過機械加工進行製造。在其它實施例中，當期望或需要時，內鍵槽222也可採用鑄造、鍛造或衝壓等方法進行製造，只要能夠使所提供的假肢膝重量輕、結構緊湊和堅固耐用以及可以實現本發明文件所述的一個或多個特色和優點。
在一個最佳實施例中，參閱圖15，內鍵槽222的結構參數為主直徑D151約為3.673釐米(1.446英寸)，直徑D152約為3.119釐米(1.228英寸)，端頭直徑D153約為2.845釐米(1.120英寸)，孔徑D154約為2.49毫米(0.098英寸)，溝槽曲率半徑D155約為3.18毫米(0.125英寸)，角θ151的典型值約為15度，角θ152的典型值約為7.5度。在其它實施例中，當期望或需要時，內鍵槽222也可採用其他的結構和尺寸，只要能夠使所提供的假肢膝重量輕、結構緊湊和堅固耐用，以及可以實現本發明文件所述的一個或多個特色和優點。
在另一個最佳實施例中，參閱圖16和圖17，內鍵槽222的結構參數為主直徑D161約為3.632釐米(1.430英寸)，直徑D162約為2.464釐米(0.970英寸)，長度L163約為1.96釐米(0.771英寸)，深度DT171約為0.51毫米(0.020英寸)，寬度W171約為1.02毫米(0.040英寸)，曲率半徑R171為0.127-0.254毫米(0.005-0.010英寸)。在其它實施例中，當期望或需要時，內鍵槽222也可採用其他的結構和尺寸，只要能夠使所提供的假肢膝重量輕、結構緊湊和堅固耐用，以及可以實現本發明文件所述的一個或多個特色和優點。
轉子與定子圖18-19表明假肢膝210的一個轉子或內側葉片220的一個最佳實施例。轉子220與內鍵槽222一起轉動。最好為圓形薄片的轉子220包括一個具有向內凸出輪齒288的中央腔槽或通孔286，用於同內鍵槽的溝槽284進行嚙合(圖15)。當期望或需要時，轉子220也可採用其它有效的結構形式。
在一個最佳實施例中，輪齒288為半圓形；在另一個實施例中，輪齒288為有圓角的矩形或方形。在其它實施例中，當期望或需要時，輪齒288也可採用其他有效的結構形式，只要能夠提供由轉子220到內鍵槽222間的可靠傳動以及可以實現本發明文件所述的一個或多個特色和優點。
轉子220用具有適當硬度的軟磁材料製作，這樣可以減少磨損和提高耐用性。在一個最佳實施例中，轉子220採用藍退火硬碳鋼進行製作；在另一個實施例中，轉子220採用無晶粒取向的矽鋼(電工鋼)進行製作。在其它實施例中，當期望或需要時，轉子220也可採用其他的軟磁材料進行製作，只要能夠提供堅固耐用的轉子以及可以實現本發明文件所述的一個或多個特色和優點。
轉子220的製造材料應具有適當的導磁率和較低的或接近為零的矯頑力，其飽和磁通密度應大於磁流變流體134(圖3)的飽和磁通密度。這樣，可使設計的電磁鐵214重量輕、結構緊湊和耗能小。
在一個最佳實施例中，轉子220通過電火花工具機進行製造。這樣可使加工精度較高，從而避免或減少引起使用者不適的轉子220與內鍵槽222之間的齒隙、遊移和衝擊。在另一個最佳實施例中，轉子220採用衝壓法製作。在其它實施例中，當期望或需要時，轉子220也可採用其他有效技術進行製造，只要能夠為使用者提供自然和安全的步行以及可以實現本發明文件所述的一個或多個特色和優點。
在本發明的一個實施例中，轉子220相對於內鍵槽222側向固定，即不能在縱軸224(圖4)的方向上移動。在這一實施例中，通過在輪齒嚙合部注入樹脂或膠水、雷射焊接、熱配合、夾緊連接等手段使轉子220固定在內鍵槽222上。這樣，也有助於避免或減少引起使用者不適的轉子220與內鍵槽222之間的齒隙、遊移和衝擊。
在一個最佳實施例中，參閱圖18-19，轉子220的結構參數為主直徑D181約為4.80釐米(1.890英寸)，端部直徑D182約為3.678釐米(1.448英寸)，直徑D183約為3.678釐米(1.448英寸)，輪齒曲率半徑R181約為1.57毫米(0.062英寸)，角θ181約為15度，轉子厚度T191約為0.203毫米(0.008英寸)。在其它實施例中，當期望或需要時，轉子220也可採用其他的結構和尺寸，只要能夠使所提供的假肢膝重量輕、結構緊湊和堅固耐用，以及可以實現本發明文件所述的一個或多個特色和優點。
圖20-21表明假肢膝210的一個定子或外側葉片230的一個最佳實施例。定子230與外鍵槽232一起轉動。最好為圓形薄片的定子230包括一個用於同內鍵槽222進行非接觸配合的中心腔槽或通孔290和一些由周邊向外凸出、用於同外鍵槽的溝槽進行嚙合的輪齒292。或者，當期望或需要時，定子230也可採用其它有效的結構形式。
在一個最佳實施例中，輪齒292為半圓形；在另一個實施例中，輪齒292為有圓角的矩形或方形。在其它實施例中，當期望或需要時，輪齒292也可採用其他有效的結構形式，只要能夠提供由定子230到外鍵槽232間的可靠傳動以及可以實現本發明文件所述的一個或多個特色和優點。
定子230用具有適當硬度的軟磁材料製作，這樣可以減少磨損和提高耐用性。在一個最佳實施例中，定子230採用藍退火硬碳鋼進行製作；在另一個實施例中，定子230採用無晶粒取向的矽鋼(電工鋼)進行製作。在其它實施例中，當期望或需要時，定子230也可採用其他的軟磁材料進行製作，只要能夠提供堅固耐用的定子以及可以實現本發明文件所述的一個或多個特色和優點。
定子230的製造材料應具有適當的導磁率和較低的或接近為零的矯頑力，其飽和磁通密度應大於磁流變流體134(圖3)的飽和磁通密度。這樣，可使設計的電磁鐵214重量輕、結構緊湊和耗能小。
在一個最佳實施例中，定子230通過電火花工具機進行製造。這樣可使加工精度較高，從而避免或減少引起使用者不適的定子230與外鍵槽232之間的齒隙、遊移和衝擊。在另一個最佳實施例中，定子230採用衝壓法製作。在其它實施例中，當期望或需要時，定子230也可採用其他有效技術進行製造，只要能夠為使用者提供自然和安全的步行以及可以實現本發明文件所述的一個或多個特色和優點。
在本發明的一個實施例中，定子230相對於外鍵槽232側向固定，即不能在縱軸224(圖4)的方向上移動。在這一實施例中，通過在輪齒嚙合部注入樹脂或膠水、雷射焊接、熱配合、夾緊連接等手段使定子230固定在外鍵槽232上。這樣，也有助於避免或減少引起使用者不適的定子230與外鍵槽232之間的齒隙、遊移和衝擊。
在一個最佳實施例中，參閱圖20-21，定子230的結構參數為主直徑D201約為4.811釐米(1.894英寸)，端部直徑D202約為4.811釐米(1.894英寸)，直徑D203約為3.683釐米(1.450英寸)，輪齒曲率直徑D204約為0.318毫米(0.125英寸)，角θ201約為15度，定子厚度T211約為0.203毫米(0.008英寸)。在其它實施例中，當期望或需要時，定子230也可採用其他的結構和尺寸，只要能夠使所提供的假肢膝重量輕、結構緊湊和堅固耐用，以及可以實現本發明文件所述的一個或多個特色和優點。
在一個最佳實施例中，轉子220和定子230可在假肢膝縱軸224的側向242(圖4)方向上進行滑動或移動。這樣，當磁場在垂直於轉子和定子葉面的方向上穿過轉子220和定子230時，將會產生響應外加磁場的MR阻尼和摩擦阻尼。摩擦阻尼的產生是相鄰轉子和定子表面接觸和摩擦的結果。摩擦阻尼隨磁場強度的增加而增加，因為被磁化的轉子220和定子230相互吸引，從而增加了相鄰轉子220和定子230之間的正向壓力(在縱軸224的方向上)。這樣，本發明假肢膝工作在磁流變(粘性)和摩擦阻尼「混合」的制動模式下。
在一個實施例中，轉子和定子間的摩擦阻尼在整個假肢膝的阻尼扭矩中佔10％或10％以下。在其它實施例中，當期望或需要時，摩擦阻尼在整個假肢膝阻尼扭矩中所佔的比例可大於或小於上述比例，只要能夠提供較寬的動態扭矩範圍和可以實現本發明文件所述的一個或多個特色和優點。
在本發明假肢膝的一個最佳實施例中，一個或兩個側板216和218可在假肢膝縱軸224的側向242的方向上進行滑動或移動，從而也可產生摩擦阻尼。每個側板216或218所產生的摩擦阻尼扭矩在整個阻尼扭矩中所佔的比例約為20％或20％以下。在其它實施例中，當期望或需要時，摩擦阻尼在整個假肢膝阻尼扭矩中所佔的比例可大於或小於上述比例，只要能夠提供較寬的動態扭矩範圍和可以實現本發明文件所述的一個或多個特色和優點。
在一個最佳實施例中，轉子220和定子230相對於鍵槽222和232進行側向(在242的方向上)固定，僅由磁流變流體的粘性發揮制動效應。在磁場強度增加時，相鄰轉子和定子表面之間的正向壓力仍然保持為零或接近為零，在假肢膝的整個阻尼扭矩中不包括摩擦阻尼部分。這種結構的優點在於可提高產品的疲勞壽命，因為由於摩擦殘生的磨損得到避免或減少。
或者，在期望和需要時，使某些轉子220和定子230側向固定而使另一些轉子220和定子230可做側向運動，只要能夠使所提供的假肢膝自然和安全以及可以實現本發明文件所述的一個或多個特色和優點。
在一個最佳實施例中，本發明假肢膝210中包括交錯配置的40個轉子220和41個定子230，從而具有80個MR流體可以駐留的流通介面或流體間隙。在另一個最佳實施例中，轉子220的數目為10-100，定子230的數目為11-101，磁場存在時可產生制動效應的MR流體介面數為定子數的兩倍。在又一個實施例中，轉子220的數目為1-100；在再一個實施例中，定子230的數目為1-100。在其它實施例中，當期望或需要時，也可選擇和採用其它數量的轉子220和定子230或流通介面，只要能夠提供較寬的動態扭矩和可以實現本發明文件所述的一個或多個特色和優點。
在這種情況下，感生應力或粘性扭矩正比於一對轉子和定子間的交迭面積乘以2倍的轉子數(即磁場存在時可產生制動扭矩的MR流體相對於轉子的流面)。這樣，通過選擇或預定轉子220和定子230的數目或調節相鄰轉子220和定子230之間的配合面或交迭面面積，就可使粘性扭矩或感生應力得到預期的升高或降低。帶來的另一個好處是可控制MR驅動假肢膝210的整體尺寸-其徑向尺寸和側向尺寸。例如，通過適當選擇液流介面數和剪切面的交迭面積，在提供同樣粘性扭矩的前提下，可將假肢膝在徑向上做得更大一些和在側向上做得更纖細一些。
希望相鄰轉子220和定子230間的MR流體間隙越小越好，因為飽和整個MR流體間隙所需的功率與間隙尺寸強相關。因此，間隙尺寸的減少會使MR驅動的制動器210的效率提高和功耗減小。
MR流體間隙的選擇還要考慮使相鄰轉子220和定子230之間在零磁場下不會產生摩擦扭矩，即在沒有外加磁場時，在相鄰轉子和定子間只存在因剪切MR流體而產生的粘性扭矩。
這樣，在一個最佳實施例中，通過MR流體間隙的最小化而降低了飽和MR流體所需的功率，同時還提高了假肢膝的動態扭矩範圍。在這一實施例中，間隙沒有減小到一定程度，相鄰轉子和定子的表面間在零磁場下存在正向壓力進而存在摩擦。轉子和定子間沒有摩擦使膝關節可自由擺動，從而可提供較寬的動態範圍。在此應提起注意，零磁場下的粘性阻尼並不隨著流體間隙的減小而急劇增加，因為MR流體具有一種剪切率稀薄化的性質，即其黏度隨著剪切率的提高而降低。
在一個最佳實施例中，相鄰轉子220和定子230間的MR流體間隙的尺寸或寬度約為40微米或更小；在另一個實施例中，相鄰轉子220和定子230間的MR流體間隙寬度約為10-100微米。在其他實施例中，當期望或需要時，也可使MR流體間隙具有其它寬度或尺寸，只要能使所提供的假肢膝具有較高的能源效率和較寬的動態扭矩範圍，以及可實現本發明文件所述的一個或多個特色和優點。
在一個最佳實施例中，本發明假肢膝只包括一個與外鍵槽相連的定子230，沒有配置轉子220。這樣，在定子230和芯體側板216和218間建立了兩個MR流體間隙。如上所述，MR流體間隙越小越好。
按本發明的另一個實施例，由管狀的轉子和定子取代了葉片形的轉子和定子。所述管狀轉子和定子包括一些同心交錯配置的由軟磁材料製成的薄壁圓筒管。管間間隙中駐留有假肢膝轉動時受到剪切的磁流變流體。激勵MR流體的磁通向外輻射。磁迴路通過軟磁材料製成的外罩和中心芯體閉合。這種器件產生的粘性扭矩為各對管狀轉子和定子所產生粘性扭矩的總合。為減少重量、體積和能耗，在製造成本和磁流變流體剪切強度允許的範圍內，管狀轉子和定子做得越薄越好。最好有一個或多個管狀轉子和定子在徑向是可以移動的，從而可為假肢膝提供摩擦扭矩成分。
磁流變流體如前所述，磁流變流體中包含懸浮的鐵磁材料顆粒。響應外施磁場，這些懸浮的顆粒構成扭矩生成鏈。依據外施磁場的強度，磁流變(MR)流體產生流變或黏度變化。這樣，一定體量流體中產生的黏度變化決定了所產生的扭矩或剪切應力的大小，進而決定了假肢膝210提供的阻尼或制動程度。MR流體的體量黏度一般隨外加磁場強度的增加而增加。通過控制磁場的強度，可迅速和準確地控制假肢的轉動，例如控制其在站立相和擺動相的屈曲和伸展，從而為被截肢使用者提供更自然和安全的步態。
在本發明假肢膝的最佳實施例中，可採用市場上可見的任何磁流變流體或磁控介質作為MR流體。所述MR流體最好具有高磁通量、低磁阻和低黏度，同時要具有較大的磁感剪切應力，從而可為本發明假肢膝提供較寬的動態扭矩範圍。
位於轉子和定子表面之間的MR流體包含載流流體和尺度在微米量級的鐵磁材料顆粒。載流流體最好具有剪切率稀薄化性質，即載流流體的黏度隨著剪切率的上升而降低。這樣，可減少零磁場(即在電磁鐵未通電時)下剪切每對轉子和定子間MR流體所產生的粘性扭矩，從而可提供較寬的工作扭矩範圍。適合於採用作為載流流體的材料包括矽油、碳氫化合油和水基流體等。
外鍵槽和叉狀支架圖22-25表明假肢膝210外鍵槽232的一個最佳實施例。外鍵槽232最好為圓筒形並包括一個用於同定子230、側板216和218以及軸承226和228配合的中心圓筒形腔槽或通孔284。當期望或需要時，也可採用其它有效形式的外鍵槽230及其中心腔槽294。
在腔槽294的中央表面有一些等距配置的縱向溝槽296，用於同定子230的相應輪齒相互嚙合。在一個最佳實施例中，溝槽296為半圓形；在另一個實施例中，溝槽296為帶有圓角的矩形或方形。在其它實施例中，當期望或需要時，溝槽296也可採用其它的形式，只要能使定子230與外鍵槽232進行良好的嚙合和可實現本發明文件所述的一個或多個特色和優點。
外鍵槽的腔槽294在其溝槽296的兩側最好有一對環形的凸肩或臺階298，分別用於同芯體側板216和218進行相互配合。在一個最佳實施例中，在腔槽294內配置了兩個用於接受和放置環形密封圈的環形溝槽，以便在轉動的外鍵槽232與可轉動的側板216和218之間提供動態密封。外鍵槽的腔槽294進一步包括一對位於其凸肩298兩端的環形的凸肩或臺階300，用於接受相應的軸承226和228並與其配合。
在一個最佳實施例中，外鍵槽在其頂端304有一個錐銷或連接件302，以便於假肢膝210同被截肢者殘肢套的連接。錐銷連接件302最好在殘肢套與外鍵槽232和定子230之間提供無轉動連接。或者在期望和需要時，也可採用其它形式的連接件，只要能為假肢膝與被截肢者的殘肢之間提供可靠的連接以及可實現本發明文件所述的一個或多個特色和優點。
在一個最佳實施例中，錐銷302由鈦或鈦合金製作，外鍵槽232的其餘部分由7075-T6鋁合金製作。這樣，經陽極化處理的鋁合金表面的硬度較高，可防止外鍵槽的溝槽296的表面磨損，從而可避免或減少齒隙遊移和衝擊。在另一個實施例中，外鍵槽232採用鈦或鈦合金進行製造；在又一個實施例中，外鍵槽232由竟陽極化處理的7075-T6鋁合金進行製造。在其它實施例中，當期望或需要時，外鍵槽232也可採用其它金屬、合金、塑料、陶瓷等磁療進行製造，只要能提供具有足夠強度、重量輕、耐用和非磁性的外鍵槽232和可實現本發明文件所述的一個或多個特色和優點。
外鍵槽232通過機械加工製作。在一個最佳實施例中，將帶螺紋的鈦塊擰入外鍵槽232頂端304帶螺紋的腔槽中，二者固定後用機械加工的方法形成錐銷302製造。在其它實施例中，當期望或需要時，外鍵槽232也可採用鑄造、鍛造、模壓等其它工藝進行製造，只要能使所提供的假肢膝重量輕、結構緊湊、堅固耐用，以及可實現本發明文件所述的一個或多個特色和優點。
在一個最佳實施例中，參閱圖23，外鍵槽232的結構參數為主直徑D231約為5.994釐米(2.360英寸)，直徑D232約為4.813釐米(1.895英寸)，直徑D233約為4.811釐米(1.894英寸)，溝槽曲率直徑D234約為3.20毫米(0.126英寸)，長度L231約為8毫米(0.315英寸)，角θ231約為33.7度，角θ232約為15度，角θ233約為15度，曲率半徑R231約為2.40釐米(0.945英寸)，曲率半徑R232約為0.762毫米(0.030英寸)。在其它實施例中，當期望或需要時，外鍵槽232也可採用其它的結構參數，只要能使所提供的假肢膝重量輕、結構緊湊和堅固耐用，以及可實現本發明文件所述的一個或多個特色和優點。
在另一個最佳實施例中，參閱圖24-25，外鍵槽232的結構參數為直徑D241約為4.00釐米(1.575英寸)，直徑D251約為5.715釐米(2.250英寸)，直徑D252約為5.398釐米(2.125英寸)，長度L251約為7.861釐米(3.095英寸)，長度L252約為1.067釐米(0.420英寸)，寬度W251約為4.171釐米(1.642英寸)，寬度W252約為1.958釐米(0.771英寸)，寬度W253約為6.35毫米(0.250英寸)，寬度W254約為4.72毫米(0.186英寸)，曲率半徑R251約為3.05毫米(0.120英寸)。在其它實施例中，當期望或需要時，外鍵槽232也可採用其它的結構參數，只要能使所提供的假肢膝重量輕、結構緊湊和堅固耐用，以及可實現本發明文件所述的一個或多個特色和優點。
磁流變驅動的假肢膝210的叉狀支架236和238(圖4)在機械上分別與軸承226和228相連，可將轉動傳到假肢的脛骨部分。採用螺紋或其他連接件或固緊件306將叉狀支架236和238與被截肢者的假肢脛骨部分連接起來。
安裝支架236和238最好採用經陽極化處理的7075-T6鋁合金進行製作。在其它實施例中，當期望或需要時，安裝支架236和238也可採用其它金屬、合金、塑料、陶瓷等材料進行製造，只要能提供具有相當強度、重量輕、堅固耐用和無磁性的叉狀安裝支架，以及可實現本發明文件所述的一個或多個特色和優點。
在一個最佳實施例中，叉狀安裝支架236和238通過機械加工進行製造。在其它的實施例中，安裝支架236和238也可採用鑄造、鍛造、模壓等工藝進行製造，只要能使所提供的假肢膝重量輕、結構緊湊和堅固耐用，以及可實現本發明文件所述的一個或多個特色和優點。
在一個最佳實施例中，如圖4所示，假肢膝進一步包括一個彎曲緩衝限動系統或部件246。通過在物理上限制外側支架236和238與外鍵槽232之間的轉動，彎曲限動系統可控制允許的最大屈曲角度，從而可控制假肢膝關節的轉動。
彎曲限動系統246(圖4)包括一些條帶型限動結構312、314和316。限動結構312和314採用螺釘等固定在外鍵槽232成一定角度的外側表面308上(圖23)，限動結構316通過螺釘等固定在側面叉狀支架成一定角度的外側表面333和334上。
當假肢膝210轉動到預定的最大彎曲角度時，限動結構316與314相互接觸，從而防止或限制了膝關節的繼續轉動。限動結構314最好採用彈性材料製作，以提供衝擊吸收和緩衝作用。在期望和需要時，本發明實施例中的假肢膝還可包括衝擊吸收式的伸展限動結構。
在一個最佳實施例中，本發明彎曲限動結構允許的最大彎曲角度約為140度；在另一個實施例中，本發明限動結構允許的最大彎曲角度約為125-150度。在其它實施例中，允許的最大彎曲角度可有所變化，取決於環境條件、所進行的活動和活動的激烈程度等因素。
在一個最佳實施例中，限動結構314由橡膠製作，限動結構312和316由鈦或鈦合金製作。在其它實施例中，當期望或需要時，限動結構312、314和316也可採用其它材料進行製作，只要能提供具有適當強度、耐用、重量輕和有緩衝作用的彎曲限動以及可實現本發明文件所述的一個或多個特色和優點。
在一個最佳實施例中，限動結構312、314和316的長度約為6.0釐米(2.263英寸)，寬度約為5.99毫米(0.236英寸)。在其它實施例中，當期望或需要時，限動結構312、314和316也可採用其它的結構尺寸，只要能使所提供的假肢膝重量輕、結構緊湊和堅固耐用，以及可實現本發明文件所述的一個或多個特色和優點。
在一個最佳實施例中，假肢膝包括一個轉角傳感電位器322(圖4)。電位器322與一個安裝板326和一個杆件324相連。安裝板326通過螺釘328和墊片330與叉狀安裝支架238相連。杆件324的一端332通過適當的螺釘等連接件連接到支架238成一定角度的外表面334。
在本發明的一個最佳實施例中，假肢膝210進一步包括一個有助於大腿伸直的伸展助動器，通過施加控制扭矩(力)促進大腿的伸展。在本發明的假肢膝中，可採用任何本領域已知的伸展助動器件，例如彈簧偏置的助動器件等。
在本發明的最佳實施例中，最好提供一個反饋控制系統來控制和監測假肢膝的操作。所述控制系統包括一個中央控制器或微處理器，一個存儲器，一個或多個有關力、扭矩和角度的傳感器，一個電源(例如電池等)以及其它相關的硬體和軟體。還應採用一個適當的外罩或外殼來保護控制系統和假肢膝的各個部件。在外殼或外罩的外面應進行適當的美化包裝。
運行特性和優點本發明最佳實施例提供了一種電子控制的磁流變驅動的假肢膝，它可對膝關節的運動作出迅速反應和進行適時控制，堅固耐用，其價格在經濟上也是使用者可以承擔的。本發明最佳實施例所提供的優點包括提高假肢的穩定性，改善步態平衡，提高使用者的能量效率，能夠模擬和基本恢復天然膝關節的動力學機制等。
在假肢膝工作的過程中，通過選擇或預定的電流或電壓信號使電磁鐵或電磁線圈214產生一個可變磁場，所述磁場垂直通過一些轉子220和定子230的葉面以及相鄰轉子和定子間的MR流體或液膜，從而產生可精確控制假肢膝210轉動的可變阻尼扭矩(或轉動阻力)。如前所述，在一個實施例中，阻尼扭矩中包括摩擦阻尼部分。
最佳實施例中的假肢膝可提供迅速和準確的反應。MR流體中的顆粒材料可在幾個微秒內對外加磁場作出反應，從而可對流體切變和假肢膝的運動進行實時控制。這樣，就可使被截肢者能夠以更自然的步態安全行走。
本發明的優點是通過剪切MR流體產生粘性阻尼扭矩，因此在本發明假肢膝中不會建立起壓力及壓力變化或產生的壓力可以忽略不計。這樣就消除或減少了出現流體洩漏和失效的可能性，增加了安全性。同時，也不需要配置壓力軸承等較複雜和昂貴的部件來保證可靠的密封。
另外一個優點是，相鄰轉子220和定子230之間的一些剪切面或流通介面起著扭矩倍增器的作用，不用配置另外的傳動和輔助部件就可使粘性扭矩(和摩擦扭矩)逐步增加到預期的最大值。此外，通過靈活調節相鄰轉子220和定子230之間的交迭面面積，也可使最大粘性扭矩(和摩擦扭矩)得到上升或降低。這樣，當期望或需要時，就可提供預期的較寬扭矩或轉動阻尼範圍，從而在不增加系統尺寸、重量和複雜性的情況下提高了本發明的適用性。
在一個最佳實施例中，本發明假肢膝提供的最大動態扭矩約為40牛頓-米；在另一個實施例中，本發明假肢膝提供的動態扭矩約為0.5-40牛頓-米；在又一個實施例中，本發明假肢膝提供的動態扭矩約為1-50牛頓-米。在其它的實施例中，當期望或需要時，本發明假肢膝也可有效地提供其它的動態扭矩範圍，實現本發明文件所述的一個或多個特色和優點。
在一個最佳實施例中，本發明假肢膝可在完全伸展到彎曲約140度的範圍內精確控制膝關節在伸展和彎曲中的轉動；在另一個實施例中，本發明假肢膝可在完全伸展到彎曲角約為125-150度的範圍內精確控制膝關節在伸展和彎曲中的轉動。在其它實施例中，當期望或需要時，本發明假肢膝也可為膝關節的轉動有效提供其它的角度範圍，實現本發明所述的一個或都個特色和優點。
本發明的再一個優點是，相鄰轉子220和定子230之間MR流體間隙的細小化可提供較高的最大扭矩、較寬的動態扭矩範圍和較少的能耗-約為10瓦或10瓦以下。這增加了本發明MR驅動假肢膝的有效性和實用性，同時由於可採用較低功率和較簡單的電源而可節省費用。
其它實施例圖26-51表明具有本發明特色和優點的幾個最佳實施例。為簡明起見，以下僅對這些實施例的某些特性和優點進行說明，從其結構圖和以上實施例的說明可以了解它們的其他特色和優點。
圖26-28表明本發明磁流變驅動假肢膝中心芯體412的一個實施例。芯體412包括錐面336和位於其芯體部分452和454端部的凸肩或臺階338，以便同芯體側板416和418進行機械連接和配合(如圖29-34所示)。這樣，芯體412隨側板416和418一起轉動。
芯體412最好由具有高飽和磁通的鐵鈷合金材料製作。在一個最佳實施例中，芯體412採用德國Hanau Vacuumschmelze生產的Vacoflux 50進行製造。
芯體412最好通過機械加工製造，然後在乾燥的氫氣氣氛中進行熱處理以得到良好的磁性能。在乾燥的氫氣氣氛中，使芯體412在820攝式度下退火5小時然後在乾燥的氫氣氣氛中，使芯體412在150攝式度下冷卻1小時，使其溫度達到200攝式度。在熱處理過程中，應注意避免受到汙染，採用丙酮或其他適當的清潔劑將油汙、指印等清除乾淨。在熱處理中，芯體412最好先與芯體側板416和418分開，以免出現部件間焊在一起的情形。
在一個最佳實施例中，參閱圖27-28，芯體412的結構參數為長度L271約為2.517釐米(0.991英寸)，長度L272約為5.56毫米(0.220英寸)，長度L273約為0.51毫米(0.020英寸)，長度L274約為0.51毫米(0.020英寸)，直徑D271約為1.424釐米(0.5605英寸)，直徑D272約為1.415釐米(0.557英寸)，角θ271約為10度，直徑D281約為1，88釐米(0.740英寸)。在其它實施例中，當期望或需要時，芯體412也可採用其它有效的結構參數，只要能使所提供的假肢膝重量輕、結構緊湊和堅固耐用，以及可實現本發明文件所述的一個或多個特色和優點。
圖29-33表明本發明磁流變驅動假肢膝芯體側板416的一個最佳實施例。芯體側板416具有一個用於同芯體端部452壓配合的中央腔槽或通孔456(圖26-28)和三個等距環形配置的通孔458，用於接受螺釘等連接件以便將假肢膝的各個有關部件組裝起來。芯體側板416進一步包括一個環型槽356，用於同電磁鐵414的法蘭進行連接和配合(圖37-39)。這樣，電磁鐵或電磁線圈414便會隨芯體側板416一同轉動。
在芯體側板416的內面和外面上最好有一個相應的錐面部分470和471，這樣可以減少重量、節省材料和提供便於裝配的餘隙。採用配置在外鍵槽溝槽中的環形密封圈，使轉動的芯體側板416和外鍵槽間形成動態密封。
芯體側板416由具有高飽和磁通鐵鈷合金製作。在一個最佳實施例中，芯體側板416採用德國Hanau Vacuumschmelze生產的Vacoflux 50進行製造。
芯體側板416最好通過機械加工製造，然後在乾燥的氫氣氣氛中進行熱處理以得到良好的磁性能。在乾燥的氫氣氣氛中，使芯體側板416在820攝式度下退火5小時；然後在乾燥的氫氣氣氛中，使芯體側板416在150攝式度下冷卻1小時，使其溫度達到200攝式度。在熱處理過程中，應注意避免受到汙染，採用丙酮或其他適當的清潔劑將油汙、指印等清除乾淨。在熱處理中，芯體側板416最好先與芯體412分開，以免出現部件間焊在一起的情形。
在一個最佳實施例中，參閱圖30-33，芯體側板416的結構參數為直徑D301約為3.353釐米(1.320英寸)，直徑D302約為2.461釐米(0.969英寸)，直徑D311約為2.845釐米(1.120英寸)，直徑D312約為2.43釐米(0.958英寸)，直徑D313約為2.29釐米(0.900英寸)，孔徑D314約為2.95毫米(0.116英寸)，角θ311的典型值約為120度，直徑D321約為4.80釐米(1.890英寸)，直徑D322約為3.30釐米(1.300英寸)，直徑D323約為1.88釐米(0.740英寸)，寬度W321約為5.59毫米(0.220英寸)，寬度W322約為1.27毫米(0.050英寸)，寬度W331約為2.54毫米(0.100英寸)，寬度W332約為0.508毫米(0.020英寸)，寬度W333約為1.52毫米(0.060英寸)，曲率半徑R331約為6.35毫米(0.250英寸)，曲率半徑R332約為0.254毫米(0.010英寸)，角θ331約為30度，角θ332約為10度。在其它實施例中，當期望或需要時，芯體側板416也可採用其它有效的結構參數，只要能使所提供的假肢膝重量輕、結構緊湊和堅固耐用，以及可實現本發明文件所述的一個或多個特色和優點。
圖34-36表明本發明磁流變驅動假肢膝第二芯體側板418的一個最佳實施例。側板418基本與側板416相同，只是其中央腔槽或通孔457適合於同芯體端部454(圖26-28)進行連接與壓配合，它包括的一對通孔472用於通過導線以便連接本發明假肢膝的磁場線圈414(圖37-39)。
在一個最佳實施例中，參閱圖35-36，芯體側板418的結構參數為長度L351約為1.14釐米(0.448英寸)，長度L352約為1.05釐米(0.413英寸)，孔徑D355約為1.78毫米(0.070英寸)，直徑D363約為1.42釐米(0.560英寸)。側板418的其它尺寸D351、D352、D353、D354、θ351、D361、D362、W361和W362與芯體側板416的相應參數D311、D312、D313、D314、θ311、D321、D322、W321和W322相同，如圖31和32所示和如上所述。在其它實施例中，當期望或需要時，芯體側板418也可採用其它有效的結構尺寸，只要能使所提供的假肢膝重量輕、結構緊湊和堅固耐用，以及可實現本發明文件所述的一個或多個特色和優點。
圖37-39表明本發明磁流變驅動假肢膝電磁鐵或電磁線圈414的一個最佳實施例。磁場線圈414包括一個兩端帶法蘭342和344的繞線管340，與引線352相連的導線350繞在繞線管340上。連接電池或其它電源的引線352從繞線管法蘭344中的一對通孔346和348中通過。
電磁線圈414為圓筒形，其中央圓筒形的腔槽358適合於同芯體412進行配合(圖26-28)，從而在機械上將電磁線圈414和芯體412連接起來。法蘭342和344可與相應芯體側板416和418的溝槽相互配合(圖29-36)，從而在機械上將電磁線圈414與側板416和418連接起來。這樣，電磁線圈414和芯體412會隨芯體側板416和418一起轉動。
繞線管440最好採用聚苯撐硫化物製作，其溫度範圍約為200攝式度。線圈採用具有8.03歐姆電阻的30AWG銅線卷繞340圈，所用直流電源的功率13.7瓦、電壓10.5伏。線圈絕緣採用溫度範圍為155攝式度的適當絕緣材料。引線352為24AWG標準導線，外敷聚四氟乙烯絕緣層，長約8英寸，內芯鍍錫、截面約0.25英寸。
在一個最佳實施例中，參閱圖38-39，電磁線圈的結構參數為長度L381約為1.138釐米(0.448英寸)，長度L382約為1.05釐米(0.413英寸)，寬度W381約為0.762毫米(0.030英寸)，曲率半徑R381約為0.381毫米(0.015英寸)，直徑D381約為0.762毫米(0.030英寸)，直徑D391約為2.45釐米(0.965英寸)，直徑D392約為1.89釐米(0.745英寸)，直徑D393約為2.02釐米(0.795英寸)，長度L391約為1.95釐米(0.766英寸)，長度L392約為1.74釐米(0.686英寸)，長度L393約為1.02毫米(0.040英寸)，長度L394約為1.02毫米(0.040英寸)，厚度T391約為0.635毫米(0.025英寸).在其它實施例中，當期望或需要時，電磁線圈414也可採用其它有效的結構尺寸，只要能使所提供的假肢膝重量輕、結構緊湊和堅固耐用，以及可實現本發明文件所述的一個或多個特色和優點。
圖40-44表明本發明磁流變驅動假肢膝內鍵槽422的一個最佳實施例。內鍵槽422包括一些便於同轉子420相應輪齒嚙合的縱向齒槽484(圖45-47)和一個便於同電磁線圈414(圖37-39)連接配合的中央腔槽476。最好，內鍵槽422包括9個等距間隔配置的帶圓角的矩形或方形齒槽484。
內鍵槽的腔槽476最好包括三個與芯體側板416和418相應螺釘孔對準配合的縱向通道478(圖31-35)，用於接受螺帽等連接件和將內鍵槽422與芯體側板416和418連接起來。內鍵槽的腔槽476進一步包括一些縱向的凹進部分360，以便減少內鍵槽422的重量，從而減少假肢膝的重量。
內鍵槽的端部具有用於接受環形密封圈的法蘭480，以便為可轉動的內鍵槽422和側板416及418間提供靜態密封。在端部與其相鄰處還提供了一個臺階、凸肩或法蘭362，以便在假肢膝組裝時將環形密封圈裝在內鍵槽422上。
內鍵槽422最好採用電火花工具機進行製造。內鍵槽422最好由鈦或鈦合金製作，以便能夠提供非鐵磁性的具有適當強度、硬度和重量輕的嚙合面，以便與轉子420嚙合和進行傳動。內鍵槽422採用6AI-4V鈦合金進行製作則更好。
在一個最佳實施例中，參閱圖41-44，內鍵槽422的結構參數為直徑D411約為2.85釐米(1.120英寸)，直徑D412約為2.46釐米(0.970英寸)，通道直徑D413約為2.95毫米(0.116英寸)，角θ411的典型值約為120度，角θ412的典型值約為40度，長度L421約為2.24釐米(0.881英寸)，長度L422約為1.96釐米(0.771英寸)，曲線長度L433約為1.88毫米(0.074英寸)，曲線長度L434約為8.92毫米(0.351英寸)，直徑D431約為1.43英寸，直徑D432約為1.350英寸，直徑D433約為1.140英寸，餘隙寬度W431約為0.0254毫米(0.001英寸)，曲率半徑R431、R432、R433、R434、R435分別約為1.27毫米(0.015英寸)、1.27毫米(0.015英寸)、0.762毫米(0.030英寸)、0.381毫米(0.015英寸)和0.381毫米(0.015英寸)，角θ431約為20度，長度L441約為0.055英寸，長度L442約為0.381毫米(0.015英寸)，長度L443約為0.127毫米(0.005英寸)，長度L444約為0.127毫米(0.005英寸)，直徑D441約為3.345釐米(1.317英寸)，直徑D442約為3.226釐米(1.270英寸)，曲率半徑R441約為0.20毫米(0.008英寸)，曲率半徑R442約為0.51毫米(0.020英寸)。在其它實施例中，當期望或需要時，內鍵槽422也可採用其它有效的結構尺寸，只要能使所提供的假肢膝重量輕、結構緊湊和堅固耐用，以及可實現本發明文件所述的一個或多個特色和優點。
圖45-47表明本發明磁流變驅動假肢膝轉子或內側葉片420的一個最佳實施例。轉子420為圓環形薄片，其中央腔槽或通孔486具有一些便於同內鍵槽的齒槽484(圖41)嚙合的向內凸出的輪齒488。最好，轉子420包括等距間隔配置的9個帶圓角的矩形或方形輪齒488。
轉子420最好由具有高飽和磁通密度和硬度較高的軟磁材料製作，例如採用蘭退火碳鋼。轉子420最好採用電火花工具機進行製造。這樣，可保證具有較高的加工精度，避免或減少在轉子420和內鍵槽422之間出現可能引起使用者不適的齒隙、遊移和衝擊。
在一個最佳實施例中，參閱圖45-47，轉子420的結構參數為外徑D451約為4.851釐米(1.910英寸)，厚度T461約為0.203毫米(0.008英寸)，曲線長度L471約為9.12毫米(0.359英寸)，曲線長度L472約為1.73毫米(0.068英寸)，最大內徑D471約為3.642釐米(1.434英寸)，最小內徑D472約為3.439釐米(1.354英寸)，餘隙寬度W471約為0.0254毫米(0.001英寸)，曲率半徑R471約為0.508毫米(0.020英寸)，曲率半徑R472約為0.254毫米(0.010英寸)，角θ471約為40度。在其它實施例中，當期望或需要時，轉子420也可採用其它有效的結構尺寸，只要能使所提供的假肢膝重量輕、結構緊湊和堅固耐用，以及可實現本發明文件所述的一個或多個特色和優點。
在一個最佳實施例中，轉子最大外徑D451與其最大內徑D471之比為1.3；在另一個實施例中，這一比例為1.2-5；在又一個實施例中，這一比例為1.1-10.在其它實施例中，當期望或需要時，轉子外徑與內徑的比例也可採用其它值，只要能使所提供的假肢膝重量輕、結構緊湊和堅固耐用，以及可實現本發明文件所述的一個或多個特色和優點。
圖48-50表明本發明磁流變驅動假肢膝定子或外側葉片430的一個最佳實施例。定子430為圓環形薄片，其中央腔槽或通孔490適合於非接觸式接受內鍵槽422並具有一些由其周邊向外凸出的輪齒492，所述輪齒492適合於同假肢膝可轉外鍵槽的齒槽相嚙合。最好，定子430包括等距間隔配置的9個帶圓角的矩形或方形輪齒492。
定子430最好由具有高飽和磁通密度和硬度較高的軟磁材料製作，例如採用蘭退火碳鋼。定子430最好採用電火花工具機進行製造。這樣，可保證具有較高的加工精度，避免或減少在定子430和外鍵槽之間出現可能引起使用者不適的齒隙、遊移和衝擊。
在一個最佳實施例中，參閱圖48-50，定子430的結構參數為最大內徑D481約為3.658釐米(1.440英寸)，厚度T491約為0.203毫米(0.008英寸)，曲線長度L501約為1.18釐米(0.464英寸)，曲線長度L502約為3.66毫米(0.144英寸)，最大外徑D501約為5.07釐米(1.996英寸)，最小外徑D502約為4.867釐米(1.916英寸)，餘隙寬度W501約為0.0254毫米(0.001英寸)，曲率半徑R501約為0.508毫米(0.020英寸)，曲率半徑R502約為0.254毫米(0.010英寸)，角θ501約為20度。在其它實施例中，當期望或需要時，定子430也可採用其它有效的結構尺寸，只要能使所提供的假肢膝重量輕、結構緊湊和堅固耐用，以及可實現本發明文件所述的一個或多個特色和優點。
在一個最佳實施例中，定子最小外徑D502與其最大內徑D481之比為1.3；在另一個實施例中，這一比例為1.2-5；在又一個實施例中，這一比例為1.1-10。在其它實施例中，當期望或需要時，轉子外徑與內徑的比例也可採用其它值，只要能使所提供的假肢重量輕、結構緊湊和堅固耐用，以及可實現本發明文件所述的一個或多個特色和優點。
圖51表明具有本發明另一最佳實施例特色和優點的磁流變驅動的假肢膝510。在本實施例中，磁迴路通過假肢膝510的外部。這種結構可使所設計的產品重量更輕、結構更為緊湊。當期望或需要時，也可選用或構造其它適當的磁迴路形式，只要能實現本發明文件所述的一個或多個特色和優點。
參閱圖51，在假肢膝510中，電磁鐵或電磁線圈514配置在一些交錯配置的轉子(內側葉片)520和定子(外側葉片)530與軟磁外罩(外殼)之間，對其進行激勵以產生磁場540。磁場540的有效部分或功能部分通過(在側向542)轉子520、定子530及駐留在它們之間間隙中的磁流變流體。磁場540的磁迴路部分通過軟磁側板516向外輻射、側向通過假肢膝的外部512和通過第二軟磁側板518向內聚斂。
以上，對本發明的部件和所涉及的技術進行了相當程度的祥述，但熟悉本門技術的人們都會了解，在不超出本發明所申明的權利要求的範圍和要義下，對上述本發明的具體設計、結構和方法作出增減和修改是可能的。應當理解，本發明不局限於為說明起見而舉出的一些實施例，其範圍僅能由權利要求所規定。
權利要求
1.一種可迅速和準確控制下肢運動的磁流變驅動假肢膝，包括由軟磁材料製作並構成磁迴路的一個芯體和一對側板；一些交錯配置的由軟磁材料製作的轉子和定子，在所述轉子和定子間形成的間隙中駐留有假肢膝轉動時受到剪切的磁流變流體；一個配置在所述芯體與所述轉子和定子間的電磁鐵，所述電磁鐵響應電信號可產生一個控制所述磁流變流體黏度變化的可變磁場；以及連接所述轉子和所述假肢膝脛骨部分的一對軸承，用於將所述假肢膝的阻尼扭矩傳動到所述假肢膝的脛骨部分。
2.如權利要求1所述假肢膝，其中至少一個所述轉子和定子可在所述假肢膝縱軸的側向進行移動，從而可使相鄰轉子和定子產生機械接觸。
3.如權利要求1所述假肢膝，其中所述芯體和側板由具有高飽和磁通的鐵鈷合金製作。
4.如權利要求1所述假肢膝，其中所述轉子和定子由蘭退火碳鋼製作。
5.如權利要求1所述假肢膝，其中所述轉子和定子為環型薄片。
6.如權利要求5所述假肢膝，其中所述轉子的外徑與內徑之比約為1.3。
7.如權利要求5所述假肢膝，其中所述轉子的外徑與內徑之比約為1.1-10。
8.如權利要求5所述假肢膝，其中所述定子的外徑與內徑之比約為1.3。
9.如權利要求5所述假肢膝，其中所述定子的外徑與內徑之比約為1.1-10。
10.如權利要求1所述假肢膝，其中所述轉子和定子的厚度約為0.2毫米(0.008英寸)。
11.如權利要求1所述假肢膝，其中所述一些轉子為40個所述轉子。
12.如權利要求1所述假肢膝，其中所述一些定子為41個所述定子。
13.如權利要求1所述假肢膝，其中所述磁流變流體包括懸浮在承載流體中的尺度約為1微米的可極化鐵粒。
14.一種用於阻尼假肢膝關節轉動的可控磁流變制動器，包括一些相對於所述假肢膝轉動縱軸同心配置、彼此交錯和有間隔的可磁化轉子和定子；駐留在所述轉子和定子間形成的一些間隙中的磁流變流體；一個可響應外加電信號產生穿過所述轉子、定子和磁流變流體的可變磁場的電磁鐵；在上述結構下，剪切駐留在所述轉子和定子間所形成的間隙中的所述磁流變流體可產生精確控制所述假肢膝轉動的可變扭矩輸出。
15.如權利要求14所述磁流變制動器，其中至少一個所述轉子和定子可相對於所述縱向轉軸進行側向移動，使所述可變的扭矩輸出中包括粘性剪切和摩擦成分。
16.如權利要求14所述磁流變制動器，其中所述轉子和定子有矽鋼製作。
17.如權利要求14所述磁流變制動器，其中所述轉子和定子為圓形薄片。
18.如權利要求14所述磁流變制動器，其中所述轉子和定子為圓管形結構。
19.如權利要求14所述磁流變制動器，其中所述一些轉子包括1-100個所述轉子。
20.如權利要求14所述磁流變制動器，其中所述一些定子包括1-101個所述定子。
21.如權利要求14所述磁流變制動器，其中所述轉子和定子間的間隙約為40微米。
22.如權利要求14所述磁流變制動器，其中所述轉子和定子間的間隙約為10-100微米。
23.如權利要求14所述磁流變制動器，其中所述轉子和定子間的間隙為40個。
24.如權利要求14所述磁流變制動器，其中所述電磁鐵包括繞有線圈的繞線筒。
25.如權利要求24所述磁流變制動器，其中所述線圈為340匝銅線。
26.如權利要求14所述磁流變制動器，其中所述可變扭矩輸出範圍約為0.5-40牛頓米。
27.如權利要求14所述磁流變制動器，其中所述磁流變制動器控制假肢膝轉動的角度達125-150度。
28.一種可產生較寬動態扭矩範圍的電子控制的假肢膝，包括一些鐵磁材料製作的轉子，所述轉子相對於所述假肢膝的縱向轉軸可進行轉動和側向移動；一些與所述轉子交替配置並同其形成間隙的鐵磁材料定子，所述定子可相對於所述假肢膝的轉軸進行側向移動；駐留在所述轉子和定子間所形成的間隙中的流體，所述流體響應外加磁場可產生流變學變化；這樣，激勵所述磁場可產生對假肢膝轉動的可控和可變阻尼扭矩。
29.如權利要求28所述假肢膝，其中所述流體為磁控流體。
30.如權利要求28所述假肢膝，其中所述流體為磁流變流體。
31.如權利要求28所述假肢膝，其中所述假肢膝阻尼扭矩中包括摩擦阻尼成分。
32.如權利要求28所述假肢膝，其中所述摩擦阻尼扭矩成分小於所述假肢膝總阻尼扭矩的10％。
33.一種假肢器具，包括如權利要求28所述假肢膝；一個機械上可與所述假肢膝配合併適合於接受被截肢者殘留肢的殘留肢套；一個機械上可同所述假肢膝配合的假肢脛骨部分；和一個機械上可與所述假肢脛骨部分配合的假肢足。
34.一種可轉動的假肢器具，包括一個可轉動的內鍵槽；一些與所述內鍵槽相互嚙合的轉子；一些與所述轉子交替配置的定子；一個與所述定子相互嚙合的外鍵槽；以及駐留在所述轉子和定子間所形成的密封間隙中的磁控介質，所述介質響應外加磁場可產生可控的流變學變化並使剪切所述介質的所述轉子的轉動受到精確控制，從而對所述假肢膝的轉動產生可變阻尼，使被截肢的假肢使用者具有更自然的步態。
35.如權利要求34所述假肢膝，其中所述轉子和定子由磁性材料製作。
36.如權利要求34所述假肢膝，其中所述磁控介質為磁流變流體。
37.如權利要求34所述假肢膝，其中所述內鍵槽包括一些縱向的齒槽。
38.如權利要求37所述假肢膝，其中所述轉子包括一些可與所述內鍵槽齒槽嚙合的輪齒。
39.如權利要求34所述假肢膝，其中所述外鍵槽包括一些縱向的齒槽。
40.如權利要求39所述假肢膝，其中所述定子包括一些可與所述外鍵槽齒槽嚙合的輪齒。
41.如權利要求34所述假肢膝，其中所述轉子和定子之間的間隙約為40微米。
42.如權利要求34所述假肢膝，其中所述內鍵槽由鈦合金製作。
43.如權利要求34所述假肢膝，其中所述外鍵槽由經陽極化處理的鋁合金製作。
44.如權利要求34所述假肢膝，其中所述外鍵槽包括一個便於所述假肢膝同所述殘留肢套連接的錐形結構。
45.如權利要求34所述假肢膝，進一步包括一對用於進行所述假肢膝到所述假肢脛骨部分傳動的軸承。
46.如權利要求34所述假肢膝，進一步包括一對可轉動的側面安裝支架，以便所述假肢膝與假肢脛骨部分的連接。
47.如權利要求34所述假肢膝，進一步包括彼此相連和由磁性材料製作的一個芯體和一對側板，以形成所述磁場的磁迴路。
48.如權利要求47所述假肢膝，其中所述芯體和側板通過在機械加工製造，在機械加工後在乾燥氫氣氣氛中進行熱處理。
49.如權利要求34所述假肢膝，進一步包括形成所述磁場磁迴路的外磁路部分和一對機械相連的磁性材料側板。
50.如權利要求34所述假肢膝，進一步包括一個控制所述假肢膝最大彎曲程度的緩衝彎曲止動系統。
51.如權利要求34所述假肢膝，進一步包括一個控制所述假肢膝最大伸展程度的伸展緩衝止動系統。
52.如權利要求34所述假肢膝，進一步包括一個有助於所述假肢膝伸展的伸展輔助結構。
53.如權利要求34所述假肢膝，進一步包括一個用於監測和控制所述假肢膝運作的控制器。
54.一種用於假肢膝的磁流變可變扭矩制動器，包括一個中心芯體；與所述芯體一端相連的第一側板；與所述芯體另一端相連的第二側板；一個位於所述第一和第二側板之間可進行轉動和側向移動的葉片；駐留在所述葉片和側板之間所形成的一對縫隙中的磁流變流體；一個用於產生磁場的電磁鐵，所產生磁場的磁路通過所述芯體、所述第一和第二側板、所述葉片和所述磁流變流體；其中，對所述縫隙的尺寸進行最小化優化，使所述葉片和所述側板間在所述磁場為零時不存在機械接觸和摩擦，從而可使所述假肢膝自由運動和提供較寬的動態轉矩範圍。
55.如權利要求54所述磁流變制動器，其中所述縫隙的尺寸約為40微米。
56.如權利要求54所述磁流變制動器，其中所述縫隙的尺寸為10-100微米。
57.一種用於假肢膝的可控轉動阻尼器，包括一些相對於所述假肢膝的縱軸同心配置和彼此交替配置的內側轉子和外側轉子；一些駐留在所述內側轉子和外側轉子之間所形成的一些間隙中的磁流變流體膜；一對夾持所述內側轉子和外側轉子的側板，其中至少一個所述側板在相對於所述假肢膝的縱軸方向上可做側向移動；一個可產生磁場的電磁鐵，所產生的磁場通過所述內側轉子和外側轉子、所述磁流變流體和所述側板；這樣，所述內側轉子和外側轉子間的相對轉動以及至少一個所述側板的側向移動將產生控制所述假肢膝轉動的可變阻尼扭矩。
58.如權利要求57所述阻尼器，其中所述阻尼扭矩包括粘性阻尼和摩擦阻尼成分。
59.如權利要求58所述阻尼器，其中所述摩擦阻尼成分佔所述阻尼扭矩的20％。
60.一種迅速和精確控制電子假肢膝轉動的方法，所述假肢膝包括一些交錯配置的軟磁轉子和定子以及駐留在轉子和定子之間一些間隙中的磁流變流體，所述方法包括以下步驟應用磁場使所述轉子和定子間產生相互吸引力和使相鄰轉子和定子間產生摩擦接觸，從而對所述假肢膝的轉動產生摩擦阻尼；剪切駐留在所述轉子和定子間所形成的間隙中的磁流變流體，，從而對所述假肢膝的轉動產生粘性阻尼；以及調節所述磁場，使所述磁流變流體的粘性和所述轉子和定子間的吸引力產生迅速和精確的變化，從而產生控制所述假肢膝彎曲和伸展的可變轉動阻尼扭矩。
全文摘要
本發明涉及可變扭矩的磁流變驅動的假肢膝(110，210)，應用一些交錯配置的轉子(120，220)和定子(130，230來剪切駐留在它們之間的磁流變流體。優點在於因工作在「剪切模式」下，將不會產生或可忽略流體壓力和壓力變化。此外，多重MR流體間隙或流通介面可在低速下產生較大的扭矩和提供較寬的動態扭矩範圍，無須附加傳動機構，從而增加了本發明的適用性。在本發明的一個實施例中，轉子(120，220)和定子(130，230)之間的間隙可以閉合以形成摩擦阻尼成分，從而提供了一種包括粘性阻尼和摩擦阻尼的「混合」制動系統。
文檔編號F16F9/53GK1498095SQ01805955
公開日2004年5月19日 申請日期2001年1月22日 優先權日2000年1月20日
發明者布魯斯·W·德芬鮑, 布魯斯 W 德芬鮑, ぐ６, 休·M·埃爾, A 帕諾特, 吉爾·A·帕諾特, B 威蒂格, 米切爾·B·威蒂格 申請人:麻省理工學院