一种具有磁控阻尼缓冲的智能膝关节软骨

1.本发明涉及康复医疗义肢器械，具体地，公开了一种具有磁控阻尼缓冲的智能膝关节软骨。


背景技术：

2.义肢器械技术一直是康复医疗领域内的研究热点，目前，随着截肢者或肢体不完全人群数量的增多，使这类人群恢复一定的生活自理和工作能力是我们的工作重点。义肢的主要作用是代替失去肢体的部分功能，对于膝关节来说，早期，只是用机械结构单纯的完成支撑和站立动作，后期开始结合液压、气压或电机传动来实现更为复杂的人体动作，而随着国民经济收入水平的提高，现在这种机电一体化的义肢已不足以满足市场需求。


技术实现要素：

3.为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种具有磁控阻尼缓冲的智能膝关节软骨。
4.一种具有磁控阻尼缓冲的智能膝关节软骨，包括义肢膝关节和阻尼控制系统；
5.所述义肢膝关节与人体连接，用于辅助人体行动，所述义肢膝关节内部设有磁流变弹性体阻尼缓冲的关节软骨，用于为义肢膝关节运动过程提供缓冲力；
6.所述阻尼控制系统包括压力传感器、电源和控制装置，所述压力传感器安装于所述关节软骨中，所述压力传感器电性连接所述电源，所述控制装置电性连接所述电源，所述控制装置接收所述压力传感器反馈所述关键软骨的压力数据，调节关节软骨中的输出阻尼。
7.本技术方案中，义肢膝关节安装在肢体残缺处，辅助使用者行动，使用者在使用义肢膝关节的过程中，压力传感器时时检测膝关节内部受到的压力，并将检测数据反馈给控制装置，控制装置根据所接受的压力值数据，时时调整关节软骨的输出阻尼，使得关节软骨在实际使用中能够将作用力均匀分布，支撑和缓冲膝关节的压力，提高使用体验。
8.在上述方案基础上并且作为上述方案的优选方案：所述义肢膝关节包括下大肢、连接关节和下小肢，所述下大肢通过所述连接关节带动所述下小肢进行运动，所述连接关节一端连接所述下大肢，另一端连接所述下小肢，所述关节软骨设置于所述下大肢与所述连接关节之间。
9.本技术方案中，义肢膝关节的一种结构，连接关节一端铰接下大肢，另一端铰接下小肢，下大肢在运动过程中能够通过连接关节带动下小肢进行运动。
10.在上述方案基础上并且作为上述方案的优选方案：所述连接关节包括上关节、左关节、右关节和下关节，所述左关节一端铰接于所述关节软骨，另一端铰接于所述下关节，所述右关节一端铰接于所述关节软骨，另一端铰接于所述下关节，所述左关节与所述右关节平行设置，所述下关节固定安装于所述下小肢。
11.本技术方案中，连接关节的一种具体结构，上关节与下大肢固定连接，下关节与下
小肢固定连接，下大肢带动下小肢进行摆动的过程中，左关节与右关节在下大肢带动下小肢在进行运动的过程中使得下小肢在移动的同时进行摆动，提高义肢膝关节的实际体验效果；平行设置的左关节与右关节平保证上关节与下关节之间的保持稳定的相对运动，进而使得下大肢能够稳定的带动下小肢进行运动。
12.在上述方案基础上并且作为上述方案的优选方案：所述上关节与所述下关节之间设有同步关节，所述同步关节一端铰接于所述上关节，另一端铰接于所述下关节。
13.本技术方案中，上关节与下关节之间还设有同步关节，用于辅助支撑上关节与下关节，提高下大肢带动下小肢运动过程的稳定性。
14.在上述方案基础上并且作为上述方案的优选方案：所述关节软骨包括励磁支架、励磁线圈、导柱和磁变弹性体，所述励磁支架顶部与所述下大肢底部固定连接，所述励磁支架下表面设有用于所述磁编弹性体放置的安装槽，所述安装槽底部设有延伸至所述励磁支架上表面的引导孔，用于所述导柱的移动，所述导柱底部固定连接于所述磁变弹性体，所述磁力线圈设置于所述励磁支架的内部，且位于所述磁变弹性体的四周，所述连接关节固定安装于所述励磁支架下表面，且盖合所述安装槽，所述磁变弹性体底部固定连接于所述连接关节。
15.本技术方案中，关节软骨的一种具体结构，实际的使用过程中，励磁线圈依据电源给出的不同电流产生不同的磁场，励磁线圈产生的不同磁场作用下磁变弹性体上，磁变弹性体在电磁力的作用下产生形变，使得导柱在引导孔内移动，且缓冲义肢膝关节中下大肢受到的压力，提高义肢膝关节实际使用的舒适度。
16.在上述方案基础上并且作为上述方案的优选方案：所述磁变弹性体从上至下依次包括浅表层磁流变弹性体、中间层磁流变弹性体和深层磁流变弹性体，所述浅表层磁流变弹性体顶部与导柱固定连接，所述深层磁流变弹性体底部固定连接所述连接关节。
17.本技术方案中，磁变弹性体为三层结构，从上至下依次为浅表层磁流变弹性体、中间层磁流变弹性体和深层磁流变弹性体，电源改变电流提供给励磁线圈，作用在磁变弹性体上，磁变弹性体的三层均发生变化，其中处于上层的浅表层磁流变弹性体变化最大，具有缓冲润滑的作用，中间的中间层磁流变弹性体变化一般，具有支撑和缓冲的作用，底部的深层磁流变弹性体，提供一定程度的抗压能力。
18.在上述方案基础上并且作为上述方案的优选方案：所述浅表层磁流变弹性体在磁变弹性体中的体积占比为10％-20％，所述中间层磁流变弹性体在磁变弹性体中的体积占比为40％-60％，所述深层磁流变弹性体在磁变弹性体中的体积占比为30％。
19.本技术方案中，公开了磁变弹性体中每一层与磁变弹性体总体积之间的所占比例，使得每一层在励磁线圈的作用下产生不同的形变量，进而导柱跟随磁变弹性发生上/下移动，实现对于义肢膝关节的缓冲支撑。
20.在上述方案基础上并且作为上述方案的优选方案：所述浅表层磁流变弹性体的核心原材料为规格5％的纳米四氧化三铁或纳米氧化铜粉。
21.本技术方案中，浅表层磁流变弹性体的制作原材料的一种具体组成成分，5％的纳米四氧化三铁或纳米氧化铜粉。
22.在上述方案基础上并且作为上述方案的优选方案：所述中间层磁流变弹性体的核心原材料为规格10％的纳米四氧化三铁或纳米氧化铜粉。
23.本技术方案中，中间层磁流变弹性体的制作原材料的一种具体组成成分，10％的纳米四氧化三铁或纳米氧化铜粉。
24.在上述方案基础上并且作为上述方案的优选方案：所述深层磁流变弹性体的核心原材料为规格20％的纳米四氧化三铁或纳米氧化铜粉。
25.本技术方案中，深层磁流变弹性体的制作原材料的一种具体组成成分，20％的纳米四氧化三铁或纳米氧化铜粉。
26.与现有技术相比，本技术具有如下的有益效果：
27.1、本发明中的磁变弹性体分为浅表层磁流变弹性体、中间层磁流变弹性体和深层磁流变弹性体，通过外加电流和励磁线圈作用共同发生形状变化，其中浅表层磁流变弹性体变化最大，处于最上段，起缓冲和润滑关节的作用；中间层磁流变弹性体变化一般，处于中间段，起支撑和缓冲作用；深层磁流变弹性体变化最小，处于最下段，提供最大程度的抗压能力。
28.2、本发明中的智能膝关节软骨，主要是在外加磁场和电流和变化下，控制内部的磁变弹性体类软骨变化，起阻尼缓冲和支撑作用，让义肢活动更加灵活，并能适应不同类型的场地，特别是在硬质地面行进时，能吸收多余冲击力，降低关节损伤。
附图说明
29.通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
30.图1为本发明整体结构示意图；
31.图2为关节软骨与上关节组合结构示意图；
32.图3为本发明软骨内部结构示意图；
33.图4为本发明义肢膝关节的运动过程分解展示状态示意图；
34.图5为本发明阻尼控制系统工作示意图。
35.11、下大肢；12、下小肢；131、上关节；1311、连接块；1312、第一上连接孔；132、下关节；133、左关节；1331、左上连接孔；1332、左下连接孔；134、右关节；135、同步关节；2、关节软骨；21、励磁支架；211、安装槽；22、励磁线圈；23、导柱；24、磁变弹性体；241、浅表层磁流变弹性体；242、中间层磁流变弹性体；243深层磁流变弹性体。
具体实施方式
36.下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
37.在本文中使用的术语“包括”及其变形表示开放性包括，即“包括但不限于”。除非特别申明，术语“或”表示“和/或”。术语“基于”表示“至少区域地基于”。术语“一个示例实施例”和“一个实施例”表示“至少一个示例实施例”。术语“另一实施例”表示“至少一个另外的实施例”。术语“第一”、“第二”等等可以指代不同的或相同的对象。下文还可能包括其他明确的和隐含的定义。
38.参见图1所示，一种具有磁控阻尼缓冲的智能膝关节软骨，包括义肢膝关节和阻尼控制系统；义肢膝关节与人体连接，用于辅助人体行动，义肢膝关节内部设有磁流变弹性体阻尼缓冲的关节软骨2，用于为义肢膝关节运动过程提供缓冲力；阻尼控制系统包括压力传感器、电源和控制装置，压力传感器安装于关节软骨2中，压力传感器电性连接电源，控制装置电性连接电源，控制装置接收压力传感器反馈关键软骨的压力数据，调节关节软骨2中的输出阻尼。实际使用过程中，义肢膝关节安装在肢体残缺处，辅助使用者行动，使用者在使用义肢膝关节的过程中，压力传感器时时检测膝关节内部受到的压力，并将检测数据反馈给控制装置，控制装置根据所接受的压力值数据，时时调整关节软骨2的输出阻尼，使得关节软骨2在实际使用中能够将作用力均匀分布，支撑和缓冲膝关节的压力，提高使用体验。
39.参见图1所示，本实施例中义肢膝关节包括下大肢11、连接关节和下小肢12，下大肢11通过连接关节带动下小肢12进行运动，连接关节一端连接下大肢11，另一端连接下小肢12，关节软骨2设置于下大肢11与连接关节之间。义肢膝关节的一种结构，连接关节一端铰接下大肢11，另一端铰接下小肢12，下大肢11在运动过程中能够通过连接关节带动下小肢12进行运动。
40.参见图1所示，本实施例的具体示例，连接关节包括上关节131、左关节133、右关节134和下关节132，左关节133一端铰接于关节软骨2，另一端铰接于下关节132，右关节134一端铰接于关节软骨2，另一端铰接于下关节132，左关节133与右关节134平行设置，下关节132固定安装于下小肢12。需要说明的是，上关节131与下关节132之间设有同步关节135，同步关节135一端铰接于上关节131，另一端铰接于下关节132。实际使用中，上关节131与下大肢11固定连接，下关节132与下小肢12固定连接，下大肢11带动下小肢12进行摆动的过程中，左关节133与右关节134在下大肢11带动下小肢12在进行运动的过程中使得下小肢12在移动的同时进行摆动，提高义肢膝关节的实际体验效果；平行设置的左关节133与右关节134平保证上关节131与下关节132之间的保持稳定的相对运动，进而使得下大肢11能够稳定的带动下小肢12进行运动。同步关节135用于辅助支撑上关节131与下关节132，提高下大肢11带动下小肢12运动过程的稳定性。
41.参见图1-2，本实施例具体示例，上关节131固定安装在下大肢11的上表面，上关节131底部倾斜设有连接块1311，连接块1311上具有第一上连接孔1312和上放置槽，左关节133上具有左上连接孔1331和左下连接孔1332，右关节134上具有右上连接孔和右下连接孔，下关节132上具有第一下连接孔和下放置槽，安装时左关节133的左上连接孔1331与右关节134上的右上连接孔对应放置于第一上连接孔1312的两侧，销钉依次穿过左上连接孔1331、第一上连接孔1312和右上连接孔，左关节133的左下连接孔1332与右关节134的右下连接孔放置于第一下连接孔的两侧，销钉依次穿过左下连接孔1332、第一下连接孔和右下连接孔，使得左关节133、右关节134的上半部与上关节131转动连接，下半部与下关节132转动连接，同步关节135的顶部放置于上放置槽内，销钉穿过上关节131与上放置槽内的同步关节135，使得同步组件与上关节131转动连接，同步关节135的底部放置于下放置槽内，销钉穿过下关节132与下放置槽内的同步关节135，使得同步关节135与下关节132转动连接。
42.参见图2-3所示，本实施例的具体示例，关节软骨2包括励磁支架21、励磁线圈22、导柱23和磁变弹性体24，励磁支架21顶部与下大肢11底部固定连接，励磁支架21下表面设有用于磁编弹性体放置的安装槽211，安装槽211底部设有延伸至励磁支架21上表面的引导
孔，用于导柱23的移动，导柱23底部固定连接于磁变弹性体24，磁力线圈设置于励磁支架21的内部，且位于磁变弹性体24的四周，连接关节固定安装于励磁支架21下表面，且盖合安装槽211，磁变弹性体24底部固定连接于连接关节。需要说明的是，本实施例中励磁支架下表面连接上关节。
43.实际的使用过程中，励磁线圈22依据电源给出的不同电流产生不同的磁场，励磁线圈22产生的不同磁场作用下磁变弹性体24上，磁变弹性体24在电磁力的作用下产生形变，使得导柱23在引导孔内移动，且缓冲义肢膝关节中下大肢11受到的压力，提高义肢膝关节实际使用的舒适度。
44.参见图3所示，本实施例的具体示例，磁变弹性体24从上至下依次包括浅表层磁流变弹性体241、中间层磁流变弹性体242和深层磁流变弹性体243，浅表层磁流变弹性体241顶部与导柱23固定连接，深层磁流变弹性体243底部固连连接关节。磁变弹性体24为三层结构，从上至下依次为浅表层磁流变弹性体241、中间层磁流变弹性体242和深层磁流变弹性体243，电源改变电流提供给励磁线圈22，作用在磁变弹性体24上，磁变弹性体24的三层均发生变化，其中处于上层的浅表层磁流变弹性体241变化最大，具有缓冲润滑的作用，中间的中间层磁流变弹性体242变化一般，具有支撑和缓冲的作用，底部的深层磁流变弹性体243，提供一定程度的抗压能力。
45.本实施例的具体示例，浅表层磁流变弹性体241在磁变弹性体24中的体积占比为10％，中间层磁流变弹性体242在磁变弹性体24中的体积占比为60％，深层磁流变弹性体243在磁变弹性体24中的体积占比为30％；其中浅表层磁流变弹性体241的核心原材料为规格5％的纳米四氧化三铁或纳米氧化铜粉，中间层磁流变弹性体242的核心原材料为规格10％的纳米四氧化三铁或纳米氧化铜粉，深层磁流变弹性体243的核心原材料为规格20％的纳米四氧化三铁或纳米氧化铜粉。公开了磁变弹性体24中每一层与磁变弹性体24总体积之间的所占比例，使得每一层在励磁线圈22的作用下产生不同的形变量，进而导柱23跟随磁变弹性发生上/下移动，实现对于义肢膝关节的缓冲支撑。值得一说的是，本技术方案中磁变弹性体24中的浅表层磁流变弹性体241、中间层磁流变弹性体242和深层磁流变弹性体243的体积占比不限于上述实施例中所公布的占比比例，在其它的实施例中，在实际的使用中，根据需求设定磁变弹性体24三层中每一层的体积占比，浅表层磁流变弹性体241在磁变弹性体24中的体积占比范围在10％-20％，中间层磁流变弹性体242在磁变弹性体24中的体积占比范围在40％-60％，深层磁流变弹性体243在磁变弹性体24中的体积占比为30％。
46.参见图4所示，本实施例中义肢膝关节的运动过程分解状态展示a-g，运动过程中，下大肢11通过连接关节带动下小肢12移动，同时下小肢12发生摆动，在下小肢12摆动时，上关节131与下关节132之间的左关节133与关节进行转动，同步关节135的下小肢12摆动的过程中倾斜角发生变化，用于支撑上关节131与下关节132运动过程中的稳定。具体地，参见图4中a-b，在支撑阶段，义肢膝关节处于前倾放松状态，用于配合人体动作，下大肢11与下小肢12和人体重心轴线重合；参见图4中c-d，站立到摆动阶段，义肢呈后倾状态，下小肢12承受部分重量，磁流变弹性体阻尼缓冲关节软骨2起缓冲作用；参见图4中e-g，摆动阶段，上关节131和磁变弹性体24缓冲绝大数压力，减轻下大肢11和下小肢12的压力，保持下小肢12倾角动作的稳定性，实现义肢跟随人体灵活变动。
47.参看图5，阻尼控制系统在实际工作中，人体根据地面和自身重量将压力传递给智
能膝关节软骨2，压力传感器检测到压力值并将数字信号转化为电子信号时时反馈到控制装置，控制装置调节电源输出到励磁线圈22的电流，改变磁力线圈的磁场，励磁线圈22中的磁变弹性体24发生在电磁力的作用下发生形变。具体为，浅表层磁流变弹性体241的弹性最大，能缓冲绝大多数的压力，可以保护整个膝关节不受大压力的损坏；同时，压力传递给中间层磁流变弹性体242，其弹性适中，能在缓冲上层压力的情况下，起到一定的支撑作用，保护膝关节的上关节131不发生变形；最后，压力传递给深层磁流变弹性体243，其弹性最低，硬度较高，能在吸收上层压力的情况下，保持自身形状的稳定，提供最大的抗压能力，保护上关节131不发生移位，从而保证智能膝关节软骨2结构的稳定性。需要说明的是，在其它的实施例中，人体根据地面和自身重量将压力传递给智能膝关节软骨，在通过压力传感器检测后，将数字信号转化为电子信号改变电源档位开关，从而调节内置电源输出电流的大小，进而调节磁流变弹性体的变化。属于本发明技术方案的保护范围之内，本发明中的控制装置未做具体说明，改变电源电流输出的调节的控制方法均在本发明的保护范围之内。
48.上述描述仅是对本技术技术方案较佳实施例的描述，并非对本技术技术方案范围的任何限定，本技术技术方案领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。