專利名稱：一種磁流變制動踝關節的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種踝關節，特別是關于一種適用于智能機器人及人體假肢的磁流變制動踝關節。
背景技術：
隨著各種自然災難、疾病及交通事故的增加，殘疾人士的數量逐年增多，據統計，目前我國下肢殘疾的人已接近900萬。隨著殘疾人的增多，假肢的需求也日益增大。市場上現有的踝關節假肢，其制動方式大多是利用慣性制動，慣性制動裝置雖然結構簡單，但截肢患者穿著具有慣性制動裝置的假肢希望停止運動時，其存在有兩方面的問題一方面假肢制動速度較慢，可靠性低，另一方面會產生摩損，降低假肢的使用壽命。此外，還有一種利用負載制動的方法，但是，該方法增加了假肢的整體重量，影響了假肢的舒適性。
磁流變液是將微米尺寸的刺激化顆粒分散溶于絕緣載液中形成的特定的懸浮液體，因而其流變特性隨外加磁場變化而變化。磁流變現象是未加磁場時，磁流變液的流變特性與普通牛頓流體相似，若受到中等強度磁場的作用，磁流變液的黏度系數會顯著增加；當磁流變液受到強磁場作用時，就會變成類似固體的狀態，流動性消失。一旦去掉磁場后，又變成可以流動的液體，這種可逆轉變可以在幾毫秒內完成。并且，磁流變效應所需要的能耗較低，即使實現液體與固體之間的轉換也不會吸收或者放出太多的能量。
發明內容
針對上述問題，本發明的目的是提供一種能夠主動實現類似人體踝關節背屈和跖屈動作，且制動響應快的磁流變制動踝關節。為實現上述目的，本發明采取以下技術方案一種磁流變制動踝關節，其特征在于它包括一假肢腳板，所述假肢腳板的后部頂面設置有兩支架，每一所述支架通過一轉軸連接一擺動框的一側，所述擺動框內設置有一減速器，所述減速器的殼體頂部與所述擺動框的頂部固定連接；所述擺動框一側固定連接一電機，所述電機的輸出端驅動所述減速器的各級齒輪轉動，所述減速器的輸出齒輪為一不完全齒輪，所述不完全齒輪的輸出軸與兩所述支架上的轉軸同心，所述不完全齒輪的底端穿出所述減速器殼體與所述假肢腳板固定連接；與所述電機相對的所述減速器殼體另一側固定連接有一磁流變液箱，所述磁流變液箱的內部設置有磁流變液，所述磁流變液內設置有一連接所述不完全齒輪輸出軸的葉輪，所述磁流變液箱外部設置有連接供電設備的線圈。所述葉輪的輸入軸穿出所述減速器殼體，作為相應一側的所述支架的轉軸。所述葉輪的輸入軸設置在所述磁流變液箱內，且與所述兩側支架上的轉軸同心。連接所述支架和擺動框的轉軸為銷釘。所述支架內設置有軸承，所述轉軸支撐在所述軸承內。所述減速器的殼體和磁流變液箱分別與相應一側的所述擺動框側壁固定連接。本發明由于采取以上技術方案，其具有以下優點1、本發明由于在假肢腳板的后部通過一對支架交接了一電機和一由該電機驅動的齒輪減速器，齒輪減速器的輸出齒輪為一固定連接在假肢腳板上的不完全齒輪，因此電機驅動齒輪減速器輸入端的齒輪正向或反向旋轉，可以帶動假肢腳板繞著不完全齒輪的中心軸在一定角度范圍內擺動，不但可以模仿人腳踝的背屈和跖屈運動，而且電機能夠在行走時為患者提供前進的動力，以減少患者的能量消耗，使患者行動更加省力。2、本發明由于在不完全齒輪一側的減速器殼體的外壁上固定連接了一磁流變液箱，磁流變液箱的外部設置了線圈，內部設置了磁流變液和一浸在磁流變液中的葉輪，葉輪的中心軸與不完全齒輪的中心軸固定連接，因此向磁流變液箱外部設置的線圈通以電流產生磁場，這樣磁流變液在磁場的作用下轉變為類似固體的狀態，迫使浸在磁流變液中的葉輪停止轉動，從而帶動不完全齒輪和假肢腳板停止轉動，以實現踝關節的制動。3、本發明由于是利用磁流變液受到強磁場時由液體轉變為類似固體的狀態，以鎖緊各部件來實現制動，因此本發明制動響應快，不需要采用動力系統制動，能耗低，且磁流變液對葉輪等部件的磨損較小，能夠延長假肢的使用壽命。4、本發明由于將電機、減 速器和磁流變液箱都設置在假肢腳板的腳踝處，使得整個踝關節的結構變得緊湊，大大降低了帶踝關節假肢的高度，因此可以將應用本發明的小腿假肢肢桿做的很短，使得殘肢長的截肢患者也能夠使用。5、本發明由于設置了獨立的電機，電機輸出的高轉速低扭矩經過多級齒輪減速器的變速，能夠轉變成為低轉速大扭矩，而且電機控制還可以提高腳踝部位的控制精度，因此本發明可以最大限度地發揮電機驅動的優勢，以減少患者的能量消耗。本發明可以廣泛應用于人體假肢和智能機器人的踝關節生產過程中。
圖I是本發明的結構示意2是本發明的俯視結構示意3是本發明的側視結構示意圖
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明進行詳細的描述。如圖I 圖3所示，本發明包括一假肢腳板1，假肢腳板I可以根據需要采用各結構和材料制作的假肢腳板。假肢腳板I的后部頂面設置有兩支架2，每一支架2通過一轉軸3連接一擺動框4的一側，擺動框4內設置有一減速器5，減速器5的殼體頂部與擺動框4的頂部固定連接。擺動框4的一側固定連接一轉角板6，轉角板6上固定連接一電機7，電機7的輸出端穿過擺動框4與減速器5的輸入軸8連接。輸入軸8通過主動齒輪9嚙合一從動齒輪10，與從動齒輪10同軸設置有一過渡齒輪11，過渡齒輪11嚙合一不完全齒輪12，不完全齒輪12的輸出軸與兩所述支架2上的轉軸3同心，不完全齒輪12的底端穿出減速器5殼體的底部與假肢腳板I固定連接。與電機7相對的不完全齒輪12另一側的減速器5殼體上固定連接有一磁流變液箱13，磁流變液箱13的外部設置有與供電設備連接的線圈14，內部設置有磁流變液。磁流變液箱13內設置有一與不完全齒輪12的輸出軸固定連接的葉輪15，葉輪15的下部浸入磁流變液中。上述實施例中，電機7具有獨立的供電設備，電機7的輸出端可以進行正向或反向旋轉。另外減速器的減速級數除上述采取的兩級以外，還可以根據需要有所增加，但是最后一級的輸出齒輪應為不完全齒輪12。上述實施例中，還可以將不完全齒輪12的輸出軸和葉輪15的輸入軸制作成一根軸，或者將不完全齒輪12的輸出軸、葉輪15的輸入軸和支架2上的轉軸3制作成一根通軸。上述實施例中，擺動框4與兩支架2之間可以采用銷釘或其它桿件作為轉軸，還可以在兩支架2上設置軸承，在軸承內連接固定在擺動框4上的轉軸3。上述實施例中，為了使連接在一起的減速器5的殼體和磁流變液箱與擺動框13之間的連接更加穩固，還可以在減速器5殼體和磁流變液箱13分別與相應一側擺動框4的側壁再設置固定連接點。上述實施例中，可以在擺動框4的頂部固定連接各種小腿假肢(圖中未示出)。本發明使用時，電機7的輸出端帶動主動齒輪9轉動，主動齒輪9通過從動齒輪10和過渡齒輪11帶動不完全齒輪12轉動，但是由于不完全齒輪12固定連接在假肢腳板I上，而不完全齒輪12的輸出軸轉動連接在減速箱5的殼體上，并與葉輪15的輸入軸連接，且與兩支架2上的轉軸3同心，因此不完全齒輪12帶動的假肢腳板I會相對于擺動框4和減速器5繞著轉軸3擺動，形成一由電機7驅動的假肢腳板I與小腿假肢相對轉動的踝關節，實現模仿人腳踝背屈和跖屈運動的轉角軌跡。本發明在需要制動時，可以向磁流變液箱4外面設置的線圈14通以電流產生磁場，這樣磁流變液箱中的磁流變液在磁場的作用下轉變為類似固體的狀態，迫使浸在磁流變液中的葉輪15停止轉動，從而帶動不完全齒輪12停止轉動，與不完全齒輪12固定連接的假肢腳板I也會停止擺動，從而實現踝關節的制動。上述各實施例僅用于說明本發明，其中各部件的結構、連接方式等都是可以有所變化的，凡是在本發明技術方案的基礎上進行的等同變換和改進，均不應排除在本發明的保護范圍之外。·
權利要求
1.一種磁流變制動踝關節，其特征在于它包括一假肢腳板，所述假肢腳板的后部頂面設置有兩支架，每一所述支架通過一轉軸連接一擺動框的一側，所述擺動框內設置有一減速器，所述減速器的殼體頂部與所述擺動框的頂部固定連接；所述擺動框一側固定連接一電機，所述電機的輸出端驅動所述減速器的各級齒輪轉動，所述減速器的輸出齒輪為一不完全齒輪，所述不完全齒輪的輸出軸與兩所述支架上的轉軸同心，所述不完全齒輪的底端穿出所述減速器殼體與所述假肢腳板固定連接；與所述電機相對的所述減速器殼體另一側固定連接有一磁流變液箱，所述磁流變液箱的內部設置有磁流變液，所述磁流變液內設置有一連接所述不完全齒輪輸出軸的葉輪，所述磁流變液箱外部設置有連接供電設備的線圈。
2.如權利要求I所述的一種磁流變制動踝關節，其特征在于所述葉輪的輸入軸穿出所述減速器殼體，作為相應一側的所述支架的轉軸。
3.如權利要求I所述的一種磁流變制動踝關節，其特征在于所述葉輪的輸入軸設置在所述磁流變液箱內，且與所述兩側支架上的轉軸同心。
4.如權利要求I或2或3所述的一種磁流變制動踝關節，其特征在于連接所述支架和擺動框的轉軸為銷釘。
5.如權利要求I或2或3所述的一種磁流變制動踝關節，其特征在于所述支架內設置有軸承，所述轉軸支撐在所述軸承內。
6.如權利要求4所述的一種磁流變制動踝關節，其特征在于所述支架內設置有軸承，所述轉軸支撐在所述軸承內。
7.如權利要求I或2或3或6所述的一種磁流變制動踝關節，其特征在于所述減速器的殼體和磁流變液箱分別與相應一側的所述擺動框側壁固定連接。
8.如權利要求4所述的一種磁流變制動踝關節，其特征在于所述減速器的殼體和磁流變液箱分別與相應一側的所述擺動框側壁固定連接。
9.如權利要求5所述的一種磁流變制動踝關節，其特征在于所述減速器的殼體和磁流變液箱分別與相應一側的所述擺動框側壁固定連接。
全文摘要
本發明涉及一種磁流變制動踝關節，其特征在于它包括一假肢腳板，假肢腳板的后部頂面設置有兩支架，每一支架通過一轉軸連接一擺動框的一側，擺動框內設置有一減速器，減速器的殼體頂部與擺動框的頂部固定連接；擺動框一側固定連接一電機，電機的輸出端驅動減速器的各級齒輪轉動，減速器的輸出齒輪為一不完全齒輪，不完全齒輪的輸出軸與兩支架上的轉軸同心，不完全齒輪的底端穿出減速器殼體與假肢腳板固定連接；與電機相對的減速器殼體另一側固定連接有一磁流變液箱，磁流變液箱的內部設置有磁流變液，磁流變液內設置有一連接不完全齒輪輸出軸的葉輪，磁流變液箱外部設置有連接供電設備的線圈。本發明可以廣泛應用于人體假肢和智能機器人的踝關節生產過程中。
文檔編號B25J17/02GK102922535SQ201210408698
公開日2013年2月13日 申請日期2012年10月24日 優先權日2012年10月24日
發明者王啟寧, 周志浩, 王龍 申請人:北京大學