基於磁流變效應的四連杆假肢膝關節的製作方法

2023-11-05 23:14:57

專利名稱：基於磁流變效應的四連杆假肢膝關節的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種模擬正常人步態的殘疾人用的假肢膝關節和雙腿機器人膝關節，
特別涉及一種基於磁流變效應的四連杆假肢膝關節。
背景技術：
現代社會由於疾病或意外事故造成的肢體殘疾患者呈逐年增長趨勢。對於下肢殘
疾的病人，傳統的輔助器械，如拐杖、輪椅等已無法滿足病人的需要，為了讓下肢殘疾的病
人重新獲得正常行走的能力，假肢技術成為醫療器械研究的重點。另一方面，為了開發雙腿
機器人，假肢膝關節也是關鍵技術之一。其中，假肢膝關節的構造是最重要的假肢結構，為
了能使假肢的運動儘量模擬人體膝關節的運動，技術人員做出了許多革新。 現有技術中，主要採用氣缸或液壓缸作為阻尼力控制組件，但這種結構比較複雜，
氣缸或液壓缸阻尼曲線不夠平滑，模擬效果不夠理想。基於磁流變效應的磁流變阻尼器是
近十年來出現的一種新型的半主動阻尼控制裝置。這種阻尼器具有結構簡單、阻尼力連續
逆順可調，且阻尼可調範圍大、響應快、良好的溫度穩定性以及可與微機控制結合等優良特
性，而受到廣泛關注。目前，磁流變阻尼器已在車輛懸掛系統、斜拉橋拉索振動控制、海洋平
臺結構的減振及高層建築的隔振等方面得到了初步的應用，展現出了良好的應用前景。採
用磁流變阻尼器作為半主動阻尼力控制組件的假肢膝關節可望取得更好模擬效果。 美國專利US6423098B1公開了一種採用磁流變阻尼器的單軸膝關節，但單軸結構
不能很好的模擬人腿膝關節中心的變化，而且磁流變阻尼器單獨裝配在膝關節上，佔用空
間大，機構不夠緊湊，影響美觀。 美國專利US2004/0217324A1、 US2006/0074493A1、 US2006/0085082A1、 US2006/0178753A1、 US2006/0197051A1和US7198071B2(中國專利CN1498095A)公開了一 種採用轉子和定子剪切的磁流變阻尼器的單軸膝關節，同樣不能很好地模擬人腿膝關節中 心的變化。 德國奧託博克公司申請的專利CN1448116A公開的磁流變減振缸只是獨立的裝 置，沒有進行結構集成。 因此，需要一種結構更加緊湊的假肢膝關節，採用磁流變阻尼器作為半主動阻尼 力控制組件，阻尼力連續、阻尼逆順可調，可調範圍大、響應快，在微機控制下可更好地模擬 人體膝蓋彎曲的動作。

發明內容
有鑑於此，本發明提供一種結構更加緊湊的假肢膝關節，採用磁流變阻尼器作為 半主動阻尼力控制組件，阻尼力連續、阻尼逆順可調，可調範圍大、響應快，在微機控制下可 更好地模擬人體膝蓋彎曲的動作。 本發明的基於磁流變效應的四連杆假肢膝關節，包括大腿承載部、小腿支撐部、四 連杆機構和半主動阻尼力控制組件，所述大腿承載部和小腿支撐部通過四連杆機構連接；
3
所述半主動阻尼力控制組件包括傳感器、控制單元、電流驅動器和磁流變阻尼器； 所述磁流變阻尼器包括缸體、活塞、活塞杆和設置在活塞內的勵磁線圈，所述勵磁線圈與電 流驅動器電連接，缸體內充滿磁流變液並與小腿支撐部集成為一體，活塞將缸體分為上缸 和下缸，所述上缸和下缸之間設置有節流通道，所述勵磁線圈產生的電磁場的磁力線從節 流通道中穿過；所述傳感器用於監測兩腿的角度變化信號和小腿支撐部所受壓力信號，並 將所述信號輸出到控制單元，控制單元輸出控制信號到電流驅動器，通過改變電流驅動器 輸出電流的大小而改變勵磁線圈中勵磁電流的大小，進而改變節流通道中電磁場的磁場強 度； 所述四連杆機構包括集成在大腿承載部下端的上連杆、集成在小腿支撐部上端的 下連杆、連接大腿承載部和小腿支撐部的前連杆和後連杆，大腿承載部還通過一根連接杆 與活塞杆連接； 所述小腿支撐部上還設置有回位裝置，用以將活塞回復到缸體頂部。
進一步，所述前連杆一端與大腿承載部中部樞接，另一端與小腿支撐部前端樞接； 所述後連杆一端與大腿承載部後端樞接，另一端與小腿支撐部後端樞接；所述連接杆為曲 線連杆，曲線連杆一端與大腿承載部後端樞接，另一端與活塞杆樞接； 進一步，所述活塞下端與缸體底部之間內還設置有一個浮動活塞，所述浮動活塞 下端和缸體下部形成氣缸，氣缸內充有壓縮氣體，浮動活塞和氣缸組成所述回位裝置；
進一步，所述節流通道設置於活塞上，節流通道兩端分別與上缸和下缸連通，所述 活塞沿軸線周向纏繞有勵磁線圈； 進一步，所述活塞的外徑小於缸體內徑，活塞與缸體之間的縫隙形成節流通道，活 塞沿軸線周向纏繞有勵磁線圈； 進一步，所述節流通道設置於缸體之外，並通過導管分別與所述上缸和下缸連通， 沿節流通道軸線周向纏繞有勵磁線圈。 本發明的有益效果通過採用磁流變阻尼器作為主要的半主動阻尼力控制組件， 四連杆機構作為連接機構，該假肢膝關節的阻尼力連續、阻尼逆順可調，可調範圍大、響應 快，在微處理器控制下可更好地模擬人體膝蓋彎曲的動作，且磁流變阻尼器與假肢膝關節 集成為一體，即假肢膝關節的小腿支撐部充當磁流變阻尼器的缸體，佔用空間小，結構更加 緊湊，可在此基礎上設計比傳統結構更加美觀的假肢。


下面結合附圖和具體實施帛 圖1為本發明具體實施例- 圖2為圖1的局部放大圖; 圖3為本發明具體實施例- 圖4為本發明具體實施例二 圖5為圖4的局部放大圖; 圖6為本發明具體實施例三
對本發明作進一步描述。 的結構示意膝關節彎曲時的結構示意圖； 的結構示意的結構示意圖。
具體實施例方式具體實施例一 如圖1所示，本實施例的基於磁流變效應的四連杆假肢膝關節，包括大腿承載部 1、小腿支撐部2、四連杆機構和半主動阻尼力控制組件； 所述半主動阻尼力控制組件包括傳感器3、控制單元4、電流驅動器5和磁流變阻 尼器；其中，磁流變阻尼器包括缸體6、活塞7和活塞杆8，缸體6內充滿磁流變液，並設置在 小腿支撐部2上與小腿支撐部2集成為一體，活塞7與缸體6滑動配合，如圖3所示並將缸 體6分為上缸61和下缸62，活塞7上設置有節流通道9，其兩端分別與上缸61和下缸62 連通；節流通道9的橫截面形狀為以軸線為中心的環狀結構；當然，也可在活塞7上設置至 少兩個通孔周向均布於活塞7軸線四周，作為節流通道，同樣可以實現本發明的目的；活塞 7沿軸線周向纏繞有勵磁線圈15，勵磁線圈15和電流驅動器5電連接，如圖2所示，電磁場 的磁力線從節流通道9徑向穿過，並在活塞內部形成磁場；所述節流通道間隙在運動過程 中的一致性和均勻性通過活塞杆與缸體上端孔的配合和活塞與缸體的配合保證。四連杆機 構包括集成在大腿承載部1下端的上連杆、集成在小腿支撐部2上端的下連杆、連接大腿承 載部1和小腿支撐部2的前連杆10和後連杆11，大腿承載部還通過一根連接杆與活塞杆8 連接；其中，前連杆10為一對，前連杆10 —端與大腿承載部1中部樞接，另一端與小腿支撐 部2前端樞接；後連杆11 一端與小腿支撐部2後端樞接，另一端分為兩個支叉，兩個支叉分 別與大腿承載部1後端樞接；所述連接杆為曲線連杆12，曲線連杆12 —端從所述兩個支叉 中穿過並與大腿承載部1後端樞接，另一端與活塞杆2樞接；所述前端、後端是指以人正常 狀態下面對的方向為前端，背對的方向為後端。 活塞7下端與缸體6底部之間內還設置有一個浮動活塞13，浮動活塞13下端和缸 體下部形成氣缸63，氣缸63內充有壓縮氣體，浮動活塞13和氣缸63組成回位裝置，用以將 活塞7回復到缸體頂部。 當然，也可在浮動活塞和缸體底部之間設置壓縮彈簧取代氣缸，由浮動活塞和壓
縮彈簧組成所述回位裝置，同樣可以實現本發明的目的。此外，壓縮彈簧也並不局限於設置
在浮動活塞下端和缸體底部之間，比如，去掉浮動活塞，在活塞杆上設置上彈簧盤，在小腿
支撐部上設置下彈簧盤，在兩個彈簧盤之間設置壓縮彈簧同樣可以實現本發明目的，類似
變換均屬於本領域技術人員非經創造性勞動即可以聯想到的，屬於等同替換。 大腿承載部上端設置有大腿連接頭16，小腿支撐部下端設置有小腿連接座17，大
腿連接頭16用於連接接受腔，小腿連接座17連接小腿部。 傳感器3設置於假肢的接受腔、小腿部和腳上，用於監測兩腿之間的角度變化信 號和小腿支撐部所受壓力信號，並將所述信號輸出到控制單元4，控制單元4輸出控制信號 到電流驅動器5，改變電流驅動器5輸出電流的大小而改變勵磁線圈15中勵磁電流的大小， 進而改變節流通道9中電磁場的磁場強度。 本發明使用時，在整個機構不受外力的情況下，活塞位於缸體頂部，使用者在邁步 時為假肢膝關節施加一個下壓力，如圖3所示，曲線連杆推動活塞向下移動，帶動前後連杆 轉動，使小腿支撐部相對於大腿承載部轉動，此時，活塞杆杆體在缸體內的體積增大，而磁 流變液體積不會發生變化，磁流變液推動浮動活塞向下移動，壓縮氣缸體積；當腿移動時， 使用者施加的下壓力消失，浮動活塞下端壓強大於其上端壓強，浮動活塞向上移動，此時，由於活塞兩端存在壓強差，活塞下端磁流變液推動活塞回復到缸體頂部，在活塞作用下，曲
線連杆帶動四連杆機構回到初始位置，帶動小腿支撐部伸直；在全過程中，傳感器監測兩腿
的角度變化信號和小腿支撐部所受壓力信號，並由控制單元對這些信號進行分析處理，再
將運算結果與設定值比較，然後向電流驅動器發出控制信號，調節勵磁線圈內電流的強度
而改變勵磁線圈15中勵磁電流的大小，進而改變節流通道中電磁場的強度，控制磁流變阻
尼器的阻尼，調節假肢膝關節彎曲和回復的速度，從而模擬人行走的正常步態。 具體實施例二 如圖4所示，本實施例與實施例一的不同點在於，活塞7的外徑小於缸體6內徑，活塞7與缸體6之間的縫隙形成節流通道9'，活塞7沿軸線周向纏繞有勵磁線圈15'，如圖5所示，本實施例中，活塞與缸體採用導磁率相同的材料製成，電磁場的磁力線從節流通道9'徑向穿過，並經過活塞與缸體壁形成磁場。所述節流通道間隙在運動過程中的一致性和均勻性通過活塞杆與缸體上端孔的配合和活塞與缸體的配合保證。
具體實施例三 如圖6所示，本實施例與實施例一的不同點在於，節流通道還可以設置於缸體6之外，並通過導管分別與所述上缸61和下缸62連通，沿節流通道9〃軸線周向纏繞有勵磁線圈15〃 ，從而控制節流通道內磁流變液的流量。具體結構可採用專利ZL200420033801. X或ZL200410022657. 4中所採用的磁流變閥的結構。 最後說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，儘管參照較佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發明技術方案的宗旨和範圍，其均應涵蓋。
權利要求
一種基於磁流變效應的四連杆假肢膝關節，其特徵在於包括大腿承載部(1)、小腿支撐部(2)、四連杆機構和半主動阻尼力控制組件，所述大腿承載部(1)和小腿支撐部(2)通過四連杆機構連接；所述半主動阻尼力控制組件包括傳感器(3)、控制單元(4)、電流驅動器(5)和磁流變阻尼器；所述磁流變阻尼器包括缸體(6)、活塞(7)、活塞杆(8)和設置在活塞(7)內的勵磁線圈(15)，所述勵磁線圈(15)與電流驅動器(5)電連接，缸體(6)內充滿磁流變液並與小腿支撐部(2)集成為一體，活塞(7)將缸體(6)分為上缸(61)和下缸(62)，所述上缸(61)和下缸(62)之間設置有節流通道(9)，所述勵磁線圈(15)產生的電磁場的磁力線從節流通道中穿過；所述傳感器(3)用於監測兩腿的角度變化信號和小腿支撐部所受壓力信號，並將所述信號輸出到控制單元(4)，控制單元(4)輸出控制信號到電流驅動器(5)，通過改變電流驅動器(5)輸出電流的大小而改變勵磁線圈(15)中勵磁電流的大小，進而改變節流通道(9)中電磁場的磁場強度；所述四連杆機構包括集成在大腿承載部(1)下端的上連杆、集成在小腿支撐部(2)上端的下連杆、連接大腿承載部(1)和小腿支撐部(2)的前連杆(10)和後連杆(11)，大腿承載部還通過一根連接杆與活塞杆(8)連接；所述小腿支撐部(2)上還設置有回位裝置，用以將活塞(7)回復到缸體(6)頂部。
2. 根據權利要求1所述的基於磁流變效應的四連杆假肢膝關節，其特徵在於所述前連杆(10) —端與大腿承載部(1)中部樞接，另一端與小腿支撐部(2)前端樞接；所述後連杆(11) 一端與大腿承載部(1)後端樞接，另一端與小腿支撐部(2)後端樞接；所述連接杆為曲線連杆(12)，曲線連杆(12) —端與大腿承載部(1)後端樞接，另一端與活塞杆(8)樞接。
3. 根據權利要求2所述的基於磁流變效應的四連杆假肢膝關節，其特徵在於所述活塞(7)下端與缸體(6)底部之間內還設置有一個浮動活塞(13)，所述浮動活塞(13)下端和缸體(6)下部形成氣缸(63)，氣缸(63)內充有壓縮氣體，浮動活塞(13)和氣缸(63)組成所述回位裝置。
4. 根據權利要求3所述的基於磁流變效應的四連杆假肢膝關節，其特徵在於所述節流通道(9)設置於活塞(7)上，節流通道(9)兩端分別與上缸(61)和下缸(62)連通，所述活塞(7)沿軸線周向纏繞有勵磁線圈(15)。
5. 根據權利要求3所述的基於磁流變效應的四連杆假肢膝關節，其特徵在於所述活塞(7)的外徑小於缸體(6)內徑，活塞(7)與缸體(6)之間的縫隙形成節流通道(9')，活塞(7)沿軸線周向纏繞有勵磁線圈(15')。
6. 根據權利要求3所述的基於磁流變效應的四連杆假肢膝關節，其特徵在於所述節流通道(9〃 )設置於缸體(6)之外，並通過導管分別與所述上缸(61)和下缸(62)連通，沿節流通道(9〃 )軸線周向纏繞有勵磁線圈(15〃 )。
全文摘要
本發明公開了一種基於磁流變效應的四連杆假肢膝關節，包括大腿承載部、小腿支撐部、四連杆機構和半主動阻尼力控制組件，所述半主動阻尼力控制組件包括傳感器、控制單元、電流驅動器和磁流變阻尼器；採用磁流變阻尼器作為主要的半主動阻尼力控制組件，四連杆機構作為連接機構，該假肢膝關節的阻尼力連續、阻尼逆順可調，可調範圍大、響應快，在微處理器控制下可更好地模擬人體膝關節彎曲的動作，且磁流變阻尼器與假肢膝關節集成為一體，佔用空間小，結構更加緊湊，可在此基礎上設計比傳統結構更加美觀的假肢。
文檔編號A61F2/50GK101716102SQ20091019194
公開日2010年6月2日 申請日期2009年12月16日 優先權日2009年12月16日
發明者付強, 徐磊, 王代華 申請人:重慶大學