微纳米磁流变阻尼假肢膝关节的机理及性能研究

Physical disabilities patients caused by frequent traffic accidents and natural disasters increased significantly, but it is impossible to make the limb regeneration now, thus, the prosthetic is the only means restoring the walking function. Magnetorheological (MR) damper prosthetic knee, with the controllable damping function, is a hotspot in the field of intelligent prosthetic limbs, but its hulking structure, poor controllability and the high cost, make it difficult for popularization and application. Based on the theoretical basis of the MR fluid under the effect of magnetic field, with the investigation on multiple degrees of freedom dynamic system, the semi-active control, the micro/nano MR fluid is used to replace the existing micron MR fluid, the influence of different nanoparticles on the rheological properties of MR fluid will be revealed; With the development of micro/nano MR fluid damper, the micro/nano MR damping prosthetic knee with the more excellent controlled performance will be developed, tested and analysized.The study will also reveal the rheological mechanism of micro/nano magnetic.particles under the action of magnetic field, establish the shear stress model of the MR fluid. The research, not only can strengthen the theoretical basis of micro/nano MR damping technology, improve the performance of existing MR damping prosthetic knee joint, reduce its cost, is also expected to be a breakthrough in the field of controllable damping prosthetic knee joint, the economic and social benefits are immeasurable.

交通事故和自然灾害的频发造成肢体残疾患者大幅增加，但目前医疗水平尚不能使肢体再生，因此安装假肢成了恢复其行走功能的唯一手段。具备可控阻尼功能的磁流变阻尼假肢膝关节是智能假肢领域的热点，但其结构庞大笨重、运动可控性差及造价过高，难以推广应用。项目基于磁流变液在磁场作用下产生磁流变效应的理论基础，结合在机构动力学、半主动控制等方面的前期研究，采用微纳米磁流变液代替现有微米磁流变液，探索不同性质颗粒对磁流变液流变性能的影响；研制微纳米磁流液阻尼器，并开发出可控性能更为优异的微纳米磁流变阻尼假肢膝关节，对其性能进行测试和分析。项目的研究将揭示微米和纳米磁性粒子在磁场作用下的流变机理，建立微纳米磁流变液剪切应力的理论模型。研究的开展，不仅能夯实微纳米磁流变阻尼技术的理论基础，提高现有磁流变阻尼假肢膝关节的性能、降低成本，还有望在可控阻尼假肢膝关节领域取得突破，其经济效益和社会效益是不可估量的。

项目根据下肢假肢患者对高性能假肢膝关节的需求，针对现有磁流变阻尼假肢膝关节结构庞大、可控性差及造价过高等问题，采用微纳米磁流变液替代现有磁流变阻尼假肢膝关节中的微米磁流变液，实现了假肢膝关节的轻量化和舒适化。项目主要研究内容和结果包括：1）通过添加不同质量分数的纳米磁性颗粒，研制出性能更为优异的微纳米磁流变液，结果表明，在添加7%的纳米磁性颗粒时，微纳米磁流变液的剪切应力比微米磁流变液增加23%，同时法向应力提高18%，该成果为磁流变阻尼假肢膝关节的轻量化提供了实验依据。2）研究了膝关节瞬心轨迹与稳定性，选用双摇杆作为假肢膝关节的运动机构，确定了双摇杆机构的构型以及尺寸；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器的结构参数。3）对微纳米磁流变液阻尼器的性能进行了有限元仿真和实验研究，结果表明：当电流小于1.0A时，随着电流的增加阻尼力线性增加；电流在1.0A至1.5A之间时，随着电流的增加，阻尼力增加速度缓慢；一旦电流达到1.5A后，继续增加电流，阻尼力将不再增加。对阻尼器的结构参数进行了优化设计，优化前后其阻尼力提高了52%（活塞运动速度为2mm/s）。4)构建了包含大腿与小腿的下肢假肢膝关节简化模型，采用末端坐标法对其进行了数值模拟，获得了各关键点的运动学参数；使用动态静力分析方法建立了下肢假肢膝关节的动力学分析模型，建立了阻尼器输出阻尼力与膝关节驱动力矩之间的关系,结合动力学分析软件ADAMS，对人体假肢膝关节在平地行走、上下楼梯步态下的运动进行了仿真分析。5)基于人体运动过程中的步态特征，研究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磁流变假肢膝关节的运动参数，发现步态周期为78%时膝关节的屈曲角度最大，其值为62°，大于78%后，膝关节快速的回归到初始位置，进入第二次双脚支撑，验证了微纳米磁流变阻尼假肢膝关节设计的合理性。