CN114474018B - 一种基于磁流变液的被动负重下肢外骨骼膝关节装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于磁流变液的被动负重下肢外骨骼膝关节装置，包括小腿杆和定子，所述定子为双圆环状结构，定子的两端分别通过端盖封闭，定子与端盖构成的外层空腔内设置有线圈，定子与端盖构成的内层空腔填充有磁流变液；所述内层空腔设置有与定子内环相滑动配合的转子，转子将内层空腔中分且转子与定子的接触端为密封状态，定子的内环固定设置有与转子的轴线相垂直的限位板，限位板与转子的接触端为密封状态；所述转子同轴的连接有转动轴，转子的侧部均设置有连通内层空腔的大通孔和小通孔；所述大通孔内滑动设置有通液件；所述小腿杆与其中一侧端盖固定连接。本发明旨在提供一种基于磁流变液的被动负重下有效减少外骨骼能耗的膝关节装置。
Description
技术领域
本发明涉及外骨骼机器人技术领域，尤其涉及一种基于磁流变液的被动负重下肢外骨骼膝关节装置。
背景技术
在负重型下肢外骨骼的应用场景中，通常期望膝关节具有轻质、柔顺和强大的支撑力矩，同时由于外骨骼、佩戴者和地面之间存在物理交互，这就要求下肢外骨骼中的膝关节具有高功率重量比和力矩重量比、较低的输出阻抗和过滤冲击载荷的能力，传统的刚性驱动器很难满足这些性能要求。磁流变液作为一种智能材料，它在无外加磁场时，表现为流动良好的牛顿流体，但在外加磁场作用下，其表观粘度可在10ms内增加几个数量级，并呈现类似固体的力学性质，而一旦去掉磁场后，又变成流动良好的牛顿流体，因此近年来，磁流变液逐渐被用于各种外骨骼驱动器的开发。但是目前外骨骼膝关节中所用的基于磁流变液的装置均采用分层结构，结构复杂，力矩重量比低且大部分需要与电机等其他有源装置配合使用，不能作为独立的外骨骼关节使用。因此，现亟需一种结构简单，具有更高的力矩重量比，基于磁流变液的被动负重下有效减少外骨骼能耗的膝关节装置。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，旨在提供一种结构简单，具有更高的力矩重量比，基于磁流变液的被动负重下有效减少外骨骼能耗的膝关节装置。
为达到上述目的，本发明是通过下述技术方案予以实现的：
一种基于磁流变液的被动负重下肢外骨髂膝关节装置，包括小腿杆和定子，所述定子为双圆环状结构，定子的两端分别通过端盖封闭，定子与端盖构成的外层空腔内设置有线圈，定子与端盖构成的内层空腔填充有磁流变液；所述内层空腔设置有与定子内环相滑动配合的转子，转子将内层空腔中分且转子与定子的接触端为密封状态，定子的内环固定设置有与转子的轴线相垂直的限位板，限位板与转子的接触端为密封状态；所述转子同轴的连接有转动轴，转子的侧部均设置有连通内层空腔的大通孔和小通孔；所述大通孔为圆柱状，大通孔的一端为圆形开口，大通孔的另一端为圆锥开口，转子两侧的大通孔相互反向设置圆形开口和圆锥开口，大通孔内滑动设置有通液件；所述通液件为筒状结构，通液件位于圆锥开口一侧的筒段径向收缩并在筒壁上周向的设置有进液孔，通液件对应圆锥开口的端部设置有与圆锥开口相匹配的圆锥台；所述端盖与转动轴之间均设置有轴承，轴承的内圈与转动轴固定，轴承的外圈与端盖相固定；所述小腿杆与其中一侧端盖固定连接。
进一步的，所述大通孔在圆形开口嵌设有挡在通液件底侧的孔用挡圈。
进一步的，所述通液件包括上部圆筒和下部圆筒，下部圆筒对应圆形开口一侧，上部圆筒对应圆锥开口一侧，上部圆筒的直径小于下部圆筒，所述进液孔和圆锥台设置在上部圆筒，所述大通孔对应上部圆筒的内壁为扩口状。
进一步的，所述定子的内环与端盖共同周向的设置有连接孔，定子的内环与端盖之间设置有密封垫圈，定子与端盖通过连接件相固定。
进一步的，所述小腿杆在与端盖固定连接的一侧设置有固定盘，固定盘上周向设置有与定子、端盖相匹配的连接孔，固定盘在连接孔内侧设置有凹槽，凹槽为多边形且该侧的端盖上具有能够嵌设在凹槽内的框边。
进一步的，所述端盖上均具有位于凹槽内的凸台，凸台内均设置有围绕转动轴的圈槽，圈槽内设置有毛毡圈。
进一步的，所述转动轴的其中一端截面为圆形，另一端截面为多边形。
进一步的，所述转子上设置有键槽，转子与转动轴键连接。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明能够通过连接外部传感器感知人体步态阶段，进而根据人体步态的不同阶段选择电流大小以及磁流变液的流道，使膝关节处于非支撑阶段或者支撑阶段且大小腿之间的角度逐渐变大时，产生的阻尼力矩很小，不会对人体正常步态产生阻碍。膝关节处于支撑阶段且大小腿之间的角度逐渐变小时，产生较大的阻尼力矩阻碍膝关节的转动，从而为人体提供支撑，减轻人体膝关节负担，降低疲劳感，减小能量消耗。此外与其他应用在外骨骼膝关节中的磁流变装置相比，该装置具有更简单的结构，更高的力矩重量比，同时作为一种纯被动膝关节，该装置可以有效减少外骨骼能耗。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的侧视图；
图3为图2中A-A方向上的剖视图；
图4为图2中B-B方向上的剖视图；
图5为本发明中定子和转子的连接结构示意图；
图6为本发明中转子和通液件的结构示意图；
图7为本发明中通液件的结构示意图。
附图标记：
1-转动轴，2-第一端盖，3-小腿杆，4-定子，5-转子，6-第二端盖，7-通液件，8-第一轴承，9-第二轴承，10-第一圈槽，11-第二圈槽，12-内层空腔，13-外层空腔，14-第一密封垫圈，15-第二密封垫圈，16-凸台，31-固定盘，41-限位板，51-大通孔，52-小通孔，53_圆锥开口，54-圆形开口，71-圆锥台，72-上部圆筒，73-下部圆筒。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1至图7所示，一种基于磁流变液的被动负重下肢外骨骼膝关节装置，包括小腿杆3和定子4，所述定子4为双圆环状结构，定子4的两端分别通过端盖封闭，定子4与端盖构成的外层空腔内设置有线圈，定子4与端盖构成的内层空腔12填充有磁流变液；所述内层空腔12设置有与定子4内环相滑动配合的转子5，转子5将内层空腔12中分且转子5与定子4的接触端为密封状态，定子4的内环固定设置有与转子5的轴线相垂直的限位板41，限位板41与转子5的接触端为密封状态；所述转子5同轴的连接有转动轴1，转子5的侧部均设置有连通内层空腔12的大通孔51和小通孔52；所述大通孔51为圆柱状，大通孔51的一端为圆形开口54，大通孔51的另一端为圆锥开口53，转子5两侧的大通孔51相互反向设置圆形开口54和圆锥开口53，大通孔51内滑动设置有通液件7；所述通液件7为筒状结构，通液件7位于圆锥开口53一侧的筒段径向收缩并在筒壁上周向的设置有进液孔，通液件7对应圆锥开口53的端部设置有与圆锥开口53相匹配的圆锥台71；所述端盖与转动轴1之间均设置有轴承，轴承的内圈与转动轴1固定，轴承的外圈与端盖相固定；所述小腿杆3与其中一侧端盖固定连接；所述转子5上设置有键槽，转子5与转动轴1键连接。
如图6和图7所示，所述大通孔51在圆形开口54嵌设有挡在通液件7底侧的孔用挡圈，避免通液件7被磁流变液推动而滑出大通孔51。所述通液件7包括上部圆筒72和下部圆筒73，下部圆筒73对应圆形开口54一侧，上部圆筒72对应圆锥开口53一侧，上部圆筒72的直径小于下部圆筒73，所述进液孔和圆锥台71设置在上部圆筒72，所述大通孔51对应上部圆筒72的内壁为扩口状。大通孔51与上部圆筒72之间形成的径向间距能够便于磁流变液在通液件7和大通孔51内流通，利于通液件7受磁流变液的影响而改变圆锥台71与圆锥开口54之间的配合。
其中，所述定子4的内环与端盖共同周向的设置有连接孔，定子4的内环与第一端盖2之间设置有第一密封垫圈14，定子4的内环与第二端盖6之间设置有第二密封垫圈15，定子4与端盖通过连接件相固定。所述小腿杆3在与端盖固定连接的一侧设置有固定盘31，固定盘31上周向设置有与定子4、端盖相匹配的连接孔，固定盘31在连接孔内侧设置有凹槽，凹槽为多边形且该侧的端盖上具有能够嵌设在凹槽内的框边。定子4、端盖和小腿杆3均通过连接孔配合连接件组装，利于模块化装配，同时小腿杆3上的连接孔还便于与其他部件连接，凹槽和框边均为多边形利于端盖与小腿杆3的同步旋转，本实施例中第一端盖2与小腿杆3相固定，固定盘31上的凹槽和第一端盖2的框边均为六边形。
其中，所述端盖上均具有位于凹槽内的凸台16，凸台16内均设置有围绕转动轴1的圈槽，圈槽内设置有毛毡圈，第一圈槽10和第二圈槽11均通过设置毛毡圈用以对磁流变液进行密封。
其中，所述转动轴1的其中一端截面为圆形，另一端截面为多边形。转动轴1为多边形的一端用于与外骨骼的大腿杆相连接，利于转动轴1与大腿杆同步旋转，本实施例转动轴1的该端为方形。
本发明通过第一轴承8和第二轴承9使转动轴1、第一端盖2、第二端盖6、小腿杆3、转子5和定子4同轴转动。其中，所述第一端盖2、第二端盖6、小腿杆3和定子4同步转动，并能相对所述转动轴1和转子5转动，即形成小腿杆3围绕膝关节转动。
本发明在膝关节处于支撑阶段且大小腿之间的角度逐渐变大或者非支撑阶段时，如起立动作、蹬爬动作、行走步态阶段的腿腾空动作等。当转动轴1转动，转子5随转动轴1转动而推动磁流变液在转子5的大通孔51和小通孔52上流通。此时磁流变液均为从大通孔51或小通孔52的一端流向另一端的单向流通，该状态下铜线圈不通电，磁流变液表现为流动良好的牛顿流体，表现粘度低。
若磁流变液从转子5的大通孔51的圆形开口54一侧流向圆锥开口53一侧，通液件7的圆锥台71将在磁流变液的推动下与大通孔51的圆锥开口53接触并相抵，从而把大通孔51堵住，此时磁流变液将主要从转子5的小通孔52流过。
若磁流变液从所述转子5的大通孔的圆锥开口53一侧流向圆形开口54一侧，通液件7的下部圆筒73将在磁流变液的推动下与大通孔51内的孔用挡圈接触并相抵，从而使进入大通孔51的磁流变液流入圆锥开口53进入上部圆筒72与大通孔51之间的环空区域，再经过上部圆筒72的进液孔流入下部圆筒73，最终从大通孔51的圆形开口54流出。使得大通孔51和通液件7之间保持流通状态、
以小腿杆3及与其固连的第一端盖2、定子4，第二端盖6所形成的整体为机架，以上两种情况磁流变液对转子5产生的反力很小，几乎不会对膝关节转动产生阻碍。
本发明在膝关节处于支撑阶段且大小腿之间的角度逐渐变小时，如人体负重行走步态阶段的支撑腿加载阶段、人体由于负重而出现下蹲动作等，铜线圈保持通电状态，磁流变液表现为非牛顿流体中的宾汉流体，表观粘度在10ms内增加几个数量级，呈现出类似固体的力学性质。当转动轴1转动，磁流变液在内层空腔12内从转子5的大通孔51的圆形开口54一侧流向圆锥开口53一侧。通液件7的圆锥台71将在磁流变液的推动下与圆锥开口53接触并相抵，从而把大通孔51堵住。此时磁流变液将主要从小通孔52流过，该状态下磁流变液对转子5产生的反力变大，产生较大的阻尼力矩阻碍膝关节的转动，从而为人体提供支撑，减轻人体膝关节负担，降低疲劳感，减小能量消耗。
本发明在膝关节处于静态支撑阶段时，如人体保持站立或半蹲状态等。铜线圈保持通电状态，磁流变液表现为非牛顿流体中的宾汉流体，表观粘度在10ms内增加几个数量级，呈现出类似固体的力学性质。转动轴1保持不动，固态磁流变液在内层空腔12内同样保持静态，对转动轴1的转动趋势起到阻碍效果，为人体提供支撑。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于磁流变液的被动负重下肢外骨骼膝关节装置，包括小腿杆(3)和定子(4)，其特征在于：所述定子(4)为双圆环状结构，定子(4)的两端分别通过端盖封闭，定子(4)与端盖构成的外层空腔(13)内设置有线圈，定子(4)与端盖构成的内层空腔(12)填充有磁流变液；所述内层空腔(12)设置有与定子(4)内环相滑动配合的转子(5)，转子(5)将内层空腔(12)中分且转子(5)与定子(4)的接触端为密封状态，定子(4)的内环固定设置有与转子(5)的轴线相垂直的限位板(41)，限位板(41)与转子(5)的接触端为密封状态；所述转子(5)同轴的连接有转动轴(1)，转子(5)的侧部均设置有连通内层空腔(12)的大通孔(51)和小通孔(52)；所述大通孔(51)为圆柱状，大通孔(51)的一端为圆形开口(54)，大通孔(51)的另一端为圆锥开口(53)，转子(5)两侧的大通孔(51)相互反向设置圆形开口(54)和圆锥开口(53)，大通孔(51)内滑动设置有通液件(7)；所述通液件(7)为筒状结构，通液件(7)位于圆锥开口(53)一侧的筒段径向收缩并在筒壁上周向的设置有进液孔，通液件(7)对应圆锥开口(53)的端部设置有与圆锥开口(53)相匹配的圆锥台(71)；所述端盖与转动轴(1)之间均设置有轴承，轴承的内圈与转动轴(1)固定，轴承的外圈与端盖相固定；所述小腿杆(3)与其中一侧端盖固定连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于磁流变液的被动负重下肢外骨骼膝关节装置，其特征在于：所述大通孔(51)在圆形开口(54)嵌设有挡在通液件(7)底侧的孔用挡圈。
3.根据权利要求2所述的一种基于磁流变液的被动负重下肢外骨骼膝关节装置，其特征在于：所述通液件(7)包括上部圆筒(72)和下部圆筒(73)，下部圆筒(73)对应圆形开口(54)一侧，上部圆筒(72)对应圆锥开口(53)一侧，上部圆筒(72)的直径小于下部圆筒(73)，所述进液孔和圆锥台(71)设置在上部圆筒(72)，所述大通孔(51)对应上部圆筒(72)的内壁为扩口状。
4.根据权利要求1所述的一种基于磁流变液的被动负重下肢外骨骼膝关节装置，其特征在于：所述定子(4)的内环与端盖共同周向的设置有连接孔，定子(4)的内环与端盖之间设置有密封垫圈，定子(4)与端盖通过连接件相固定。
5.根据权利要求4所述的一种基于磁流变液的被动负重下肢外骨骼膝关节装置，其特征在于：所述小腿杆(3)在与端盖固定连接的一侧设置有固定盘(31)，固定盘(31)上周向设置有与定子(4)、端盖相匹配的连接孔，固定盘(31)在连接孔内侧设置有凹槽，凹槽为多边形且该侧的端盖上具有能够嵌设在凹槽内的框边。
6.根据权利要求5所述的一种基于磁流变液的被动负重下肢外骨骼膝关节装置，其特征在于：所述端盖上均具有位于凹槽内的凸台(16)，凸台(16)内均设置有围绕转动轴(1)的圈槽，圈槽内设置有毛毡圈。
7.根据权利要求1所述的一种基于磁流变液的被动负重下肢外骨骼膝关节装置，其特征在于：所述转动轴(1)的其中一端截面为圆形，另一端截面为多边形。
8.根据权利要求1所述的一种基于磁流变液的被动负重下肢外骨骼膝关节装置，其特征在于：所述转子(5)上设置有键槽，转子(5)与转动轴(1)键连接。
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| CN114474018A (zh) | 2022-05-13 |
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