[發明專利]基于磁流變效應的四連桿假肢膝關節

有效

• 申請號: 200910191947.4
• 申請日: 2009-12-16
• 公開（公告）號: CN101716102A
• 公開（公告）日: 2010-06-02
• 發明（設計）人: 王代華;徐磊;付強
• 申請（專利權）人: 重慶大學
• 主分類號: A61F2/64
• 分類號: A61F2/64;A61F2/68
• 代理公司: 北京同恒源知識產權代理有限公司 11275
• 代理人: 趙榮之

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，特別涉及一種基于磁流變效應的四連桿假肢膝關節。

背景技術

現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盡量模擬人 體膝關節的運動，技術人員做出了許多革新。

現有技術中，主要采用氣缸或液壓缸作為阻尼力控制組件，但這種結構比 較復雜，氣缸或液壓缸阻尼曲線不夠平滑，模擬效果不夠理想。基于磁流變效 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，且阻尼可調范圍大、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 高層建筑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。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節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，占用空間大，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) 公開了一種采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。

德國奧托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，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、阻尼逆順可調，可調范圍大、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

有鑒于此，本發明提供一種結構更加緊湊的假肢膝關節，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、阻尼逆順可調，可調范圍大、響 應快，在微機控制下可更好地模擬人體膝蓋彎曲的動作。

本發明的基于磁流變效應的四連桿假肢膝關節，包括大腿承載部、小腿支 撐部、四連桿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 過四連桿機構連接；

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、活塞桿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；所述傳感器用于監測 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；

所述四連桿機構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，所述節流通道設置于活塞上，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；