專利名稱：基于磁流變效應(yīng)的四連桿假肢膝關(guān)節(jié)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種模擬正常人步態(tài)的殘疾人用的假肢膝關(guān)節(jié)和雙腿機(jī)器人膝關(guān)節(jié)，
特別涉及一種基于磁流變效應(yīng)的四連桿假肢膝關(guān)節(jié)。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代社會(huì)由于疾病或意外事故造成的肢體殘疾患者呈逐年增長(zhǎng)趨勢(shì)。對(duì)于下肢殘
疾的病人，傳統(tǒng)的輔助器械，如拐杖、輪椅等已無(wú)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(shù)成為醫(yī)療器械研究的重點(diǎn)。另一方面，為了開(kāi)發(fā)雙腿
機(jī)器人，假肢膝關(guān)節(jié)也是關(guān)鍵技術(shù)之一。其中，假肢膝關(guān)節(jié)的構(gòu)造是最重要的假肢結(jié)構(gòu)，為
了能使假肢的運(yùn)動(dòng)盡量模擬人體膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，技術(shù)人員做出了許多革新。 現(xiàn)有技術(shù)中，主要采用氣缸或液壓缸作為阻尼力控制組件，但這種結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，
氣缸或液壓缸阻尼曲線不夠平滑，模擬效果不夠理想?；诖帕髯冃?yīng)的磁流變阻尼器是
近十年來(lái)出現(xiàn)的一種新型的半主動(dòng)阻尼控制裝置。這種阻尼器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、阻尼力連續(xù)
逆順可調(diào)，且阻尼可調(diào)范圍大、響應(yīng)快、良好的溫度穩(wěn)定性以及可與微機(jī)控制結(jié)合等優(yōu)良特
性，而受到廣泛關(guān)注。目前，磁流變阻尼器已在車輛懸掛系統(tǒng)、斜拉橋拉索振動(dòng)控制、海洋平
臺(tái)結(jié)構(gòu)的減振及高層建筑的隔振等方面得到了初步的應(yīng)用，展現(xiàn)出了良好的應(yīng)用前景。采
用磁流變阻尼器作為半主動(dòng)阻尼力控制組件的假肢膝關(guān)節(jié)可望取得更好模擬效果。 美國(guó)專利US6423098B1公開(kāi)了一種采用磁流變阻尼器的單軸膝關(guān)節(jié)，但單軸結(jié)構(gòu)
不能很好的模擬人腿膝關(guān)節(jié)中心的變化，而且磁流變阻尼器單獨(dú)裝配在膝關(guān)節(jié)上，占用空
間大，機(jī)構(gòu)不夠緊湊，影響美觀。 美國(guó)專利US2004/0217324A1、 US2006/0074493A1、 US2006/0085082A1、 US2006/0178753A1、 US2006/0197051A1和US7198071B2(中國(guó)專利CN1498095A)公開(kāi)了一 種采用轉(zhuǎn)子和定子剪切的磁流變阻尼器的單軸膝關(guān)節(jié)，同樣不能很好地模擬人腿膝關(guān)節(jié)中 心的變化。 德國(guó)奧托博克公司申請(qǐng)的專利CN1448116A公開(kāi)的磁流變減振缸只是獨(dú)立的裝 置，沒(méi)有進(jìn)行結(jié)構(gòu)集成。 因此，需要一種結(jié)構(gòu)更加緊湊的假肢膝關(guān)節(jié)，采用磁流變阻尼器作為半主動(dòng)阻尼 力控制組件，阻尼力連續(xù)、阻尼逆順可調(diào)，可調(diào)范圍大、響應(yīng)快，在微機(jī)控制下可更好地模擬 人體膝蓋彎曲的動(dòng)作。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明提供一種結(jié)構(gòu)更加緊湊的假肢膝關(guān)節(jié)，采用磁流變阻尼器作為 半主動(dòng)阻尼力控制組件，阻尼力連續(xù)、阻尼逆順可調(diào)，可調(diào)范圍大、響應(yīng)快，在微機(jī)控制下可 更好地模擬人體膝蓋彎曲的動(dòng)作。 本發(fā)明的基于磁流變效應(yīng)的四連桿假肢膝關(guān)節(jié)，包括大腿承載部、小腿支撐部、四 連桿機(jī)構(gòu)和半主動(dòng)阻尼力控制組件，所述大腿承載部和小腿支撐部通過(guò)四連桿機(jī)構(gòu)連接；
3
所述半主動(dòng)阻尼力控制組件包括傳感器、控制單元、電流驅(qū)動(dòng)器和磁流變阻尼器； 所述磁流變阻尼器包括缸體、活塞、活塞桿和設(shè)置在活塞內(nèi)的勵(lì)磁線圈，所述勵(lì)磁線圈與電 流驅(qū)動(dòng)器電連接，缸體內(nèi)充滿磁流變液并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(shè)置有節(jié)流通道，所述勵(lì)磁線圈產(chǎn)生的電磁場(chǎng)的磁力線從節(jié) 流通道中穿過(guò)；所述傳感器用于監(jiān)測(cè)兩腿的角度變化信號(hào)和小腿支撐部所受壓力信號(hào)，并 將所述信號(hào)輸出到控制單元，控制單元輸出控制信號(hào)到電流驅(qū)動(dòng)器，通過(guò)改變電流驅(qū)動(dòng)器 輸出電流的大小而改變勵(lì)磁線圈中勵(lì)磁電流的大小，進(jìn)而改變節(jié)流通道中電磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng) 度； 所述四連桿機(jī)構(gòu)包括集成在大腿承載部下端的上連桿、集成在小腿支撐部上端的 下連桿、連接大腿承載部和小腿支撐部的前連桿和后連桿，大腿承載部還通過(guò)一根連接桿 與活塞桿連接； 所述小腿支撐部上還設(shè)置有回位裝置，用以將活塞回復(fù)到缸體頂部。
進(jìn)一步，所述前連桿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； 所述后連桿一端與大腿承載部后端樞接，另一端與小腿支撐部后端樞接；所述連接桿為曲 線連桿，曲線連桿一端與大腿承載部后端樞接，另一端與活塞桿樞接； 進(jìn)一步，所述活塞下端與缸體底部之間內(nèi)還設(shè)置有一個(gè)浮動(dòng)活塞，所述浮動(dòng)活塞 下端和缸體下部形成氣缸，氣缸內(nèi)充有壓縮氣體，浮動(dòng)活塞和氣缸組成所述回位裝置；
進(jìn)一步，所述節(jié)流通道設(shè)置于活塞上，節(jié)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(lì)磁線圈； 進(jìn)一步，所述活塞的外徑小于缸體內(nèi)徑，活塞與缸體之間的縫隙形成節(jié)流通道，活 塞沿軸線周向纏繞有勵(lì)磁線圈； 進(jìn)一步，所述節(jié)流通道設(shè)置于缸體之外，并通過(guò)導(dǎo)管分別與所述上缸和下缸連通， 沿節(jié)流通道軸線周向纏繞有勵(lì)磁線圈。 本發(fā)明的有益效果通過(guò)采用磁流變阻尼器作為主要的半主動(dòng)阻尼力控制組件， 四連桿機(jī)構(gòu)作為連接機(jī)構(gòu)，該假肢膝關(guān)節(jié)的阻尼力連續(xù)、阻尼逆順可調(diào)，可調(diào)范圍大、響應(yīng) 快，在微處理器控制下可更好地模擬人體膝蓋彎曲的動(dòng)作，且磁流變阻尼器與假肢膝關(guān)節(jié) 集成為一體，即假肢膝關(guān)節(jié)的小腿支撐部充當(dāng)磁流變阻尼器的缸體，占用空間小，結(jié)構(gòu)更加 緊湊，可在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加美觀的假肢。


下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施帛 圖1為本發(fā)明具體實(shí)施例- 圖2為圖1的局部放大圖; 圖3為本發(fā)明具體實(shí)施例- 圖4為本發(fā)明具體實(shí)施例二 圖5為圖4的局部放大圖; 圖6為本發(fā)明具體實(shí)施例三
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。 的結(jié)構(gòu)示意膝關(guān)節(jié)彎曲時(shí)的結(jié)構(gòu)示意圖； 的結(jié)構(gòu)示意的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式具體實(shí)施例一 如圖1所示，本實(shí)施例的基于磁流變效應(yīng)的四連桿假肢膝關(guān)節(jié)，包括大腿承載部 1、小腿支撐部2、四連桿機(jī)構(gòu)和半主動(dòng)阻尼力控制組件； 所述半主動(dòng)阻尼力控制組件包括傳感器3、控制單元4、電流驅(qū)動(dòng)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和活塞桿8，缸體6內(nèi)充滿磁流變液，并設(shè)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(dòng)配合，如圖3所示并將缸 體6分為上缸61和下缸62，活塞7上設(shè)置有節(jié)流通道9，其兩端分別與上缸61和下缸62 連通；節(jié)流通道9的橫截面形狀為以軸線為中心的環(huán)狀結(jié)構(gòu)；當(dāng)然，也可在活塞7上設(shè)置至 少兩個(gè)通孔周向均布于活塞7軸線四周，作為節(jié)流通道，同樣可以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的；活塞 7沿軸線周向纏繞有勵(lì)磁線圈15，勵(lì)磁線圈15和電流驅(qū)動(dòng)器5電連接，如圖2所示，電磁場(chǎng) 的磁力線從節(jié)流通道9徑向穿過(guò)，并在活塞內(nèi)部形成磁場(chǎng)；所述節(jié)流通道間隙在運(yùn)動(dòng)過(guò)程 中的一致性和均勻性通過(guò)活塞桿與缸體上端孔的配合和活塞與缸體的配合保證。四連桿機(jī) 構(gòu)包括集成在大腿承載部1下端的上連桿、集成在小腿支撐部2上端的下連桿、連接大腿承 載部1和小腿支撐部2的前連桿10和后連桿11，大腿承載部還通過(guò)一根連接桿與活塞桿8 連接；其中，前連桿10為一對(duì)，前連桿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；后連桿11 一端與小腿支撐部2后端樞接，另一端分為兩個(gè)支叉，兩個(gè)支叉分 別與大腿承載部1后端樞接；所述連接桿為曲線連桿12，曲線連桿12 —端從所述兩個(gè)支叉 中穿過(guò)并與大腿承載部1后端樞接，另一端與活塞桿2樞接；所述前端、后端是指以人正常 狀態(tài)下面對(duì)的方向?yàn)榍岸耍硨?duì)的方向?yàn)楹蠖恕?活塞7下端與缸體6底部之間內(nèi)還設(shè)置有一個(gè)浮動(dòng)活塞13，浮動(dòng)活塞13下端和缸 體下部形成氣缸63，氣缸63內(nèi)充有壓縮氣體，浮動(dòng)活塞13和氣缸63組成回位裝置，用以將 活塞7回復(fù)到缸體頂部。 當(dāng)然，也可在浮動(dòng)活塞和缸體底部之間設(shè)置壓縮彈簧取代氣缸，由浮動(dòng)活塞和壓
縮彈簧組成所述回位裝置，同樣可以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的。此外，壓縮彈簧也并不局限于設(shè)置
在浮動(dòng)活塞下端和缸體底部之間，比如，去掉浮動(dòng)活塞，在活塞桿上設(shè)置上彈簧盤(pán)，在小腿
支撐部上設(shè)置下彈簧盤(pán)，在兩個(gè)彈簧盤(pán)之間設(shè)置壓縮彈簧同樣可以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的，類似
變換均屬于本領(lǐng)域技術(shù)人員非經(jīng)創(chuàng)造性勞動(dòng)即可以聯(lián)想到的，屬于等同替換。 大腿承載部上端設(shè)置有大腿連接頭16，小腿支撐部下端設(shè)置有小腿連接座17，大
腿連接頭16用于連接接受腔，小腿連接座17連接小腿部。 傳感器3設(shè)置于假肢的接受腔、小腿部和腳上，用于監(jiān)測(cè)兩腿之間的角度變化信 號(hào)和小腿支撐部所受壓力信號(hào)，并將所述信號(hào)輸出到控制單元4，控制單元4輸出控制信號(hào) 到電流驅(qū)動(dòng)器5，改變電流驅(qū)動(dòng)器5輸出電流的大小而改變勵(lì)磁線圈15中勵(lì)磁電流的大小， 進(jìn)而改變節(jié)流通道9中電磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度。 本發(fā)明使用時(shí)，在整個(gè)機(jī)構(gòu)不受外力的情況下，活塞位于缸體頂部，使用者在邁步 時(shí)為假肢膝關(guān)節(jié)施加一個(gè)下壓力，如圖3所示，曲線連桿推動(dòng)活塞向下移動(dòng)，帶動(dòng)前后連桿 轉(zhuǎn)動(dòng)，使小腿支撐部相對(duì)于大腿承載部轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)，活塞桿桿體在缸體內(nèi)的體積增大，而磁 流變液體積不會(huì)發(fā)生變化，磁流變液推動(dòng)浮動(dòng)活塞向下移動(dòng)，壓縮氣缸體積；當(dāng)腿移動(dòng)時(shí)， 使用者施加的下壓力消失，浮動(dòng)活塞下端壓強(qiáng)大于其上端壓強(qiáng)，浮動(dòng)活塞向上移動(dòng)，此時(shí)，由于活塞兩端存在壓強(qiáng)差，活塞下端磁流變液推動(dòng)活塞回復(fù)到缸體頂部，在活塞作用下，曲
線連桿帶動(dòng)四連桿機(jī)構(gòu)回到初始位置，帶動(dòng)小腿支撐部伸直；在全過(guò)程中，傳感器監(jiān)測(cè)兩腿
的角度變化信號(hào)和小腿支撐部所受壓力信號(hào)，并由控制單元對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行分析處理，再
將運(yùn)算結(jié)果與設(shè)定值比較，然后向電流驅(qū)動(dòng)器發(fā)出控制信號(hào)，調(diào)節(jié)勵(lì)磁線圈內(nèi)電流的強(qiáng)度
而改變勵(lì)磁線圈15中勵(lì)磁電流的大小，進(jìn)而改變節(jié)流通道中電磁場(chǎng)的強(qiáng)度，控制磁流變阻
尼器的阻尼，調(diào)節(jié)假肢膝關(guān)節(jié)彎曲和回復(fù)的速度，從而模擬人行走的正常步態(tài)。 具體實(shí)施例二 如圖4所示，本實(shí)施例與實(shí)施例一的不同點(diǎn)在于，活塞7的外徑小于缸體6內(nèi)徑，活塞7與缸體6之間的縫隙形成節(jié)流通道9'，活塞7沿軸線周向纏繞有勵(lì)磁線圈15'，如圖5所示，本實(shí)施例中，活塞與缸體采用導(dǎo)磁率相同的材料制成，電磁場(chǎng)的磁力線從節(jié)流通道9'徑向穿過(guò)，并經(jīng)過(guò)活塞與缸體壁形成磁場(chǎng)。所述節(jié)流通道間隙在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的一致性和均勻性通過(guò)活塞桿與缸體上端孔的配合和活塞與缸體的配合保證。
具體實(shí)施例三 如圖6所示，本實(shí)施例與實(shí)施例一的不同點(diǎn)在于，節(jié)流通道還可以設(shè)置于缸體6之外，并通過(guò)導(dǎo)管分別與所述上缸61和下缸62連通，沿節(jié)流通道9〃軸線周向纏繞有勵(lì)磁線圈15〃 ，從而控制節(jié)流通道內(nèi)磁流變液的流量。具體結(jié)構(gòu)可采用專利ZL200420033801. X或ZL200410022657. 4中所采用的磁流變閥的結(jié)構(gòu)。 最后說(shuō)明的是，以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的宗旨和范圍，其均應(yīng)涵蓋。
權(quán)利要求
一種基于磁流變效應(yīng)的四連桿假肢膝關(guān)節(jié)，其特征在于包括大腿承載部(1)、小腿支撐部(2)、四連桿機(jī)構(gòu)和半主動(dòng)阻尼力控制組件，所述大腿承載部(1)和小腿支撐部(2)通過(guò)四連桿機(jī)構(gòu)連接；所述半主動(dòng)阻尼力控制組件包括傳感器(3)、控制單元(4)、電流驅(qū)動(dòng)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)、活塞桿(8)和設(shè)置在活塞(7)內(nèi)的勵(lì)磁線圈(15)，所述勵(lì)磁線圈(15)與電流驅(qū)動(dòng)器(5)電連接，缸體(6)內(nèi)充滿磁流變液并與小腿支撐部(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(shè)置有節(jié)流通道(9)，所述勵(lì)磁線圈(15)產(chǎn)生的電磁場(chǎng)的磁力線從節(jié)流通道中穿過(guò)；所述傳感器(3)用于監(jiān)測(cè)兩腿的角度變化信號(hào)和小腿支撐部所受壓力信號(hào)，并將所述信號(hào)輸出到控制單元(4)，控制單元(4)輸出控制信號(hào)到電流驅(qū)動(dòng)器(5)，通過(guò)改變電流驅(qū)動(dòng)器(5)輸出電流的大小而改變勵(lì)磁線圈(15)中勵(lì)磁電流的大小，進(jìn)而改變節(jié)流通道(9)中電磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度；所述四連桿機(jī)構(gòu)包括集成在大腿承載部(1)下端的上連桿、集成在小腿支撐部(2)上端的下連桿、連接大腿承載部(1)和小腿支撐部(2)的前連桿(10)和后連桿(11)，大腿承載部還通過(guò)一根連接桿與活塞桿(8)連接；所述小腿支撐部(2)上還設(shè)置有回位裝置，用以將活塞(7)回復(fù)到缸體(6)頂部。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于磁流變效應(yīng)的四連桿假肢膝關(guān)節(jié)，其特征在于所述前連桿(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；所述后連桿(11) 一端與大腿承載部(1)后端樞接，另一端與小腿支撐部(2)后端樞接；所述連接桿為曲線連桿(12)，曲線連桿(12) —端與大腿承載部(1)后端樞接，另一端與活塞桿(8)樞接。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于磁流變效應(yīng)的四連桿假肢膝關(guān)節(jié)，其特征在于所述活塞(7)下端與缸體(6)底部之間內(nèi)還設(shè)置有一個(gè)浮動(dòng)活塞(13)，所述浮動(dòng)活塞(13)下端和缸體(6)下部形成氣缸(63)，氣缸(63)內(nèi)充有壓縮氣體，浮動(dòng)活塞(13)和氣缸(63)組成所述回位裝置。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于磁流變效應(yīng)的四連桿假肢膝關(guān)節(jié)，其特征在于所述節(jié)流通道(9)設(shè)置于活塞(7)上，節(jié)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(lì)磁線圈(15)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于磁流變效應(yīng)的四連桿假肢膝關(guān)節(jié)，其特征在于所述活塞(7)的外徑小于缸體(6)內(nèi)徑，活塞(7)與缸體(6)之間的縫隙形成節(jié)流通道(9')，活塞(7)沿軸線周向纏繞有勵(lì)磁線圈(15')。
6. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于磁流變效應(yīng)的四連桿假肢膝關(guān)節(jié)，其特征在于所述節(jié)流通道(9〃 )設(shè)置于缸體(6)之外，并通過(guò)導(dǎo)管分別與所述上缸(61)和下缸(62)連通，沿節(jié)流通道(9〃 )軸線周向纏繞有勵(lì)磁線圈(15〃 )。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于磁流變效應(yīng)的四連桿假肢膝關(guān)節(jié)，包括大腿承載部、小腿支撐部、四連桿機(jī)構(gòu)和半主動(dòng)阻尼力控制組件，所述半主動(dòng)阻尼力控制組件包括傳感器、控制單元、電流驅(qū)動(dòng)器和磁流變阻尼器；采用磁流變阻尼器作為主要的半主動(dòng)阻尼力控制組件，四連桿機(jī)構(gòu)作為連接機(jī)構(gòu)，該假肢膝關(guān)節(jié)的阻尼力連續(xù)、阻尼逆順可調(diào)，可調(diào)范圍大、響應(yīng)快，在微處理器控制下可更好地模擬人體膝關(guān)節(jié)彎曲的動(dòng)作，且磁流變阻尼器與假肢膝關(guān)節(jié)集成為一體，占用空間小，結(jié)構(gòu)更加緊湊，可在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加美觀的假肢。
文檔編號(hào)A61F2/50GK101716102SQ20091019194
公開(kāi)日2010年6月2日 申請(qǐng)日期2009年12月16日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月16日
發(fā)明者付強(qiáng), 徐磊, 王代華 申請(qǐng)人:重慶大學(xué)