磁流变阻尼假肢膝关节的设计及动力学特性研究

发布时间：2025-05-08 05:53

　　交通事故以及自然灾害的频发造成截肢患者的数量大幅增加,但目前的医疗技术尚不能使肢体再生,因此,安装假肢就成了截肢患者恢复行走功能的唯一手段。假肢膝关节是下肢假肢最重要的功能部件。相较于采用气压式和液压式阻尼器的假肢膝关节,磁流变阻尼假肢膝关节具备阻尼可控、能耗低、对外界激励响应快等特点,已成为假肢膝关节研究的热点方向之一。但现有的磁流变阻尼假肢膝关节多采用单轴结构,并且使用的阻尼器多是工业化的产品,无法保证人体在运动过程中的步态仿生性和舒适性。因此,研制一种具有良好运动步态且自主适应能力强的假肢膝关节具有重要的学术意义及实用价值。本文基于人体运动过程中的步态特征,设计了一种用于下肢关节运动状态检测的装置。获得了人体在进行平地行走、上下楼梯和上下斜坡等五种步态时各关节的屈曲角度。绘制了人体下肢运动棍棒图和步态周期图,并分析了人体下肢关节的运动规律,为假肢膝关节的设计与控制提供理论支撑。根据对膝关节瞬心轨迹与稳定性的研究,选用双摇杆作为假肢膝关节的运动机构,并确定了双摇杆机构的构型以及尺寸;同时以体积小、能耗低为优化目标,采用多目标遗传算法得到了磁流变阻尼假肢膝关节中所使用的磁流变阻尼器的结...

【文章页数】：74 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

图1.2冰岛大学研制的旋转型假肢膝关节

2006年,冰岛大学的ETThorarinsson[26]公开了一种由先进传感器和MR阻尼器技术协同作用的假肢膝关节装置,膝关节的爆炸图如图1.2所示。该膝关节由一个中心固定的磁芯与一对可旋转的叶片通过同轴方式连接。固定磁芯和旋转叶片均是由软磁性材料制成的,它在线圈周围创建了....

图1.3 Chen等人研制的旋转型辅助膝关节

2001年,Jung-HoonKim和Jun-HoOh[28]等人公布了第一个磁流变阻尼假肢膝关节功能原型。与旋转型假肢膝关节不同,它利用的是磁流变液在剪切模式下的工作原理。该团队开发了一个磁流变阻尼器,并将其作为力矩驱动机构研发了单轴假肢膝关节。同年,美国Lord公司的J.....

图1.4 Lord公司合作研发的单轴假肢膝关节

图1.3Chen等人研制的旋转型辅助膝关节进入20世纪10年代,随着对磁流变液材料研究工作的深入,磁流变阻尼假肢膝关节在材料、结构、工艺等方面都迎来了独一无二的发展。克拉克森大学MichaelR.Tucker[30]于2010年提出了一种基于被动阻尼和磁流变阻尼器运动驱动的下....

图1.5 Tucker提出的半主动辅助膝关节

2011瑞士苏黎世联邦技术研究所(ETHZ)[31]开发了一种基于肌电控制的对称型半主动MR假肢膝关节。假肢膝关节所施加阻力的大小是利用路径跟踪和对侧腿上传感器的运动学数据计算而来的,该研究着力于解决假肢膝关节两侧步态不协调的问题。2012年BuleaTC等[32]将一个单杆....

本文编号：4044425