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)代社會由于疾病或意外事故造成的肢體殘疾患者呈逐年增長趨勢。對于下肢殘
疾的病人，傳統(tǒng)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(shù)成為醫(yī)療器械研究的重點(diǎn)。另一方面，為了開發(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)動盡量模擬人體膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動，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
近十年來出現(xiàn)的一種新型的半主動阻尼控制裝置。這種阻尼器具有結(jié)構(gòu)簡單、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)、斜拉橋拉索振動控制、海洋平
臺結(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。 美國專利US6423098B1公開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。 美國專利US2004/0217324A1、 US2006/0074493A1、 US2006/0085082A1、 US2006/0178753A1、 US2006/0197051A1和US7198071B2(中國專利CN1498095A)公開了一 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。 德國奧托博克公司申請的專利CN1448116A公開的磁流變減振缸只是獨(dú)立的裝 置，沒有進(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)和半主動阻尼力控制組件，所述大腿承載部和小腿支撐部通過四連桿機(jī)構(gòu)連接；
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所述半主動阻尼力控制組件包括傳感器、控制單元、電流驅(qū)動器和磁流變阻尼器； 所述磁流變阻尼器包括缸體、活塞、活塞桿和設(shè)置在活塞內(nèi)的勵磁線圈，所述勵磁線圈與電 流驅(qū)動器電連接，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，所述勵磁線圈產(chǎn)生的電磁場的磁力線從節(jié) 流通道中穿過；所述傳感器用于監(jiān)測兩腿的角度變化信號和小腿支撐部所受壓力信號，并 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(qū)動器，通過改變電流驅(qū)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(jìn)而改變節(jié)流通道中電磁場的磁場強(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)置有一個浮動活塞，所述浮動活塞 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磁線圈。 本發(fā)明的有益效果通過采用磁流變阻尼器作為主要的半主動阻尼力控制組件， 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(qū)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磁線圈15，勵磁線圈15和電流驅(qū)動器5電連接，如圖2所示，電磁場 的磁力線從節(jié)流通道9徑向穿過，并在活塞內(nèi)部形成磁場；所述節(jié)流通道間隙在運(yùn)動過程 中的一致性和均勻性通過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，大腿承載部還通過一根連接桿與活塞桿8 連接；其中，前連桿10為一對，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，另一端分為兩個支叉，兩個支叉分 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 —端從所述兩個支叉 中穿過并與大腿承載部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)下面對的方向?yàn)榍岸耍硨Φ姆较驗(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(nèi)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(fù)到缸體頂部。 當(dāng)然，也可在浮動活塞和缸體底部之間設(shè)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(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
在浮動活塞下端和缸體底部之間，比如，去掉浮動活塞，在活塞桿上設(shè)置上彈簧盤，在小腿
支撐部上設(shè)置下彈簧盤，在兩個彈簧盤之間設(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)測兩腿之間的角度變化信 號和小腿支撐部所受壓力信號，并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(qū)動器5，改變電流驅(qū)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(jìn)而改變節(jié)流通道9中電磁場的磁場強(qiáng)度。 本發(fā)明使用時，在整個機(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 時為假肢膝關(guān)節(jié)施加一個下壓力，如圖3所示，曲線連桿推動活塞向下移動，帶動前后連桿 轉(zhuǎn)動，使小腿支撐部相對于大腿承載部轉(zhuǎn)動，此時，活塞桿桿體在缸體內(nèi)的體積增大，而磁 流變液體積不會發(fā)生變化，磁流變液推動浮動活塞向下移動，壓縮氣缸體積；當(dāng)腿移動時， 使用者施加的下壓力消失，浮動活塞下端壓強(qiáng)大于其上端壓強(qiáng)，浮動活塞向上移動，此時，由于活塞兩端存在壓強(qiáng)差，活塞下端磁流變液推動活塞回復(fù)到缸體頂部，在活塞作用下，曲
線連桿帶動四連桿機(jī)構(gòu)回到初始位置，帶動小腿支撐部伸直；在全過程中，傳感器監(jiān)測兩腿
的角度變化信號和小腿支撐部所受壓力信號，并由控制單元對這些信號進(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)動器發(fā)出控制信號，調(diào)節(jié)勵磁線圈內(nèi)電流的強(qiáng)度
而改變勵磁線圈15中勵磁電流的大小，進(jìn)而改變節(jié)流通道中電磁場的強(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，電磁場的磁力線從節(jié)流通道9'徑向穿過，并經(jīng)過活塞與缸體壁形成磁場。所述節(jié)流通道間隙在運(yùn)動過程中的一致性和均勻性通過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)。 最后說明的是，以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對本發(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)通過四連桿機(jī)構(gòu)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(qū)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)、活塞桿(8)和設(shè)置在活塞(7)內(nèi)的勵磁線圈(15)，所述勵磁線圈(15)與電流驅(qū)動器(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)，所述勵磁線圈(15)產(chǎn)生的電磁場的磁力線從節(jié)流通道中穿過；所述傳感器(3)用于監(jiān)測兩腿的角度變化信號和小腿支撐部所受壓力信號，并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(qū)動器(5)，通過改變電流驅(qū)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(jìn)而改變節(jié)流通道(9)中電磁場的磁場強(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(nèi)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(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〃 )軸線周向纏繞有勵磁線圈(15〃 )。
全文摘要
本發(fā)明公開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(qū)動器和磁流變阻尼器；采用磁流變阻尼器作為主要的半主動阻尼力控制組件，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A61F2/50GK101716102SQ20091019194
公開日2010年6月2日 申請日期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 申請人:重慶大學(xué)