[發明專利]一種壓電自發電的變剛度柔性下肢假肢轉彎器

有效

• 申請號: 202010145898.7
• 申請日: 2020-03-05
• 公開（公告）號: CN111313752B
• 公開（公告）日: 2022-03-11
• 發明（設計）人: 任雷;王旭;修豪華;錢志輝
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: H02N2/18
• 分類號: H02N2/18;A61F2/68;A61F2/66;A61F2/64;A61F2/60
• 代理公司: 長春市四環專利事務所(普通合伙) 22103
• 代理人: 張建成

本發明公開了一種壓電自發電的變剛度柔性下肢假肢轉彎器，包括膝關節連接件、上蓋、壓電振子固定件、壓電振子、永磁鐵、電磁鐵、滾珠、磁編碼器、下蓋和踝關節連接件。壓電振子在振動的過程中可以發電，存儲的電量可用于其它電子元件。電磁鐵和永磁鐵相對布置，根據磁編碼器反饋膝踝之間的相對轉角大小和速度，改變電磁鐵的通電電流大小，改變電磁鐵和永磁鐵之間的互斥力，使整個系統的剛度隨轉角大小和速度改變。本發明采用柔性變剛度系統，可以有效緩解下肢假肢穿戴者在轉彎時的剛性沖擊，提高殘疾人行走舒適性，減少殘肢皮膚磨損，壓電自發電的特點又可以提高能量的利用。

技術領域

本發明屬于人體仿生假肢技術領域，具體涉及一種壓電自發電的變剛度柔性下肢假肢轉彎器。

背景技術

隨著假肢技術的不斷發展，人體下肢假肢已成為下肢截肢殘疾人常用的康復器械。下肢假肢可以模擬人的步態，使殘疾人可以最大限度地去正常生活，對于殘疾人的身心健康有不可或缺的作用。傳統假肢包含接受腔、膝關節、連接桿、假腳等部件。安裝假肢的殘疾人在行走時，不但要直線行走，更要經常轉彎進行曲線行走。現有的假肢在膝踝之間的連接件多采用如碳纖維連接桿和四棱臺適配器等剛性結構，因此尤其在轉彎時候，截肢者往往會比較生硬地轉動假肢，不但對殘肢帶來較大的剛性沖擊，讓截肢者感到行走的不舒適，更容易磨損殘疾人的殘肢皮膚，給殘疾人帶來極大不便。

據文獻表明，健康人在行走時步態受到腿部橫截面扭矩的影響。現有的假肢穿戴者在進行曲線行走過程中，剛性結構會產生較大的峰值載荷和不必要的能量沖擊損耗，而每次轉彎時的角度和速度都不同，單一剛度的轉彎器并不能實現瞬時的載荷響應調節。

發明內容

為了解決以上問題，本發明提出一種壓電自發電的變剛度柔性下肢假肢轉彎器，以解決截肢者在轉彎時下肢假肢剛性沖擊較大和不能瞬時調節剛度的缺點。壓電振子是由壓電陶瓷和金屬基板構成的器件，具有一定剛度，根據正壓電效應，當壓電振子振動彎曲變形后便會產生電流，對電流進行存儲，可以把這些電量用于膝關節或者踝關節的一些電子元件中，實現能量的回收利用。本發明中的電磁鐵通過電流的變化來控制磁力的大小進而調節剛度，磁編碼器可以檢測到膝關節和踝關節之間相對角度大小和速度的變化。

為了實現上述目的，本發明采用以下技術方案：

一種壓電自發電的變剛度柔性下肢假肢轉彎器，包括膝關節連接件、上蓋、壓電振子固定件、壓電振子、永磁鐵、電磁鐵、滾珠、磁編碼器、下蓋和踝關節連接件，膝關節連接件固定連接在上蓋的上面，上蓋內部固定連接壓電振子固定件，壓電振子包括第一壓電振子和第二壓電振子，永磁鐵包括第一永磁鐵和第二永磁鐵，電磁鐵包括第一電磁鐵和第二電磁鐵，下蓋內側的凸臺側面布置第一電磁鐵和第二電磁鐵，第一壓電振子的一端固定連接在壓電振子固定件的槽口中，第一壓電振子的另一端固定連接第一永磁鐵；第一永磁鐵和第一電磁鐵相對布置并產生互斥力，從上往下看，第一壓電振子順時針轉動時受到第一永磁鐵和第一電磁鐵之間的相斥磁力而彎曲，由于正壓電效應會產生電流，實現能量的回收利用；第二壓電振子的一端固定連接在壓電振子固定件的槽口中，第二壓電振子的另一端固定連接第二永磁鐵，第二永磁鐵和第二電磁鐵相對布置并在轉彎時產生互斥力，從上往下看，第二壓電振子逆時針轉動時受到第二永磁鐵和第二電磁鐵之間的相斥磁力而彎曲；磁編碼器包括磁編碼器永磁極和磁編碼器芯片，磁編碼器永磁極固定在壓電振子固定件的底部，磁編碼器芯片固定在下蓋內部，磁編碼器永磁極和磁編碼器芯片相對布置，用于檢測膝關節連接件和踝關節連接件之間的相對轉動角度的變化，也即檢測膝關節和踝關節之間的相對轉動角度的變化；上蓋與下蓋之間的圓形溝槽中嵌入滾珠，上蓋和下蓋可以相對轉動，下蓋與踝關節連接件固定連接。

所述壓電振子為單晶片結構，或者為雙晶片結構。

永磁鐵和電磁鐵之間為互斥力，通過改變電磁鐵電流的大小，可以改變互斥力的大小，在人轉彎時，改變電磁鐵的電流即可以改變轉彎器的剛度。根據磁編碼器反饋回的膝踝相對轉動角度大小和速度，可以實現對剛度的實時調節。

本發明的有益效果：