微纳米磁流变阻尼假肢膝关节的关键技术研究

发布时间：2020-03-31 07:55

【摘要】：交通事故以及自然灾害的频发等造成截肢者的数量急剧上升,而目前的医疗技术尚不能使肢体再生,假肢成为帮助截肢患者恢复基本生活条件的唯一有效途径。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,成为目前假肢应用领域的研究热点。现有磁流变阻尼假肢膝关节的结构庞大笨重,影响了人体在运动过程中的步态质量和患者的舒适程度,难以商品化推广应用。因此,研制一种性能优异、结构轻巧且价格低廉的假肢膝关节具有极其重要的学术研究及社会应用价值。本论文基于磁流变液在磁场作用下产生磁流变效应的机理,通过在传统的微米级磁流变液中添加不同质量分数的纳米级磁性颗粒,研制出性能更为优异的微纳米磁流变液,并搭建了一套测试系统,对该微纳米磁流变液的力学性能进行了实验研究;设计了一种应用于假肢膝关节的微纳米磁流变液阻尼器,通过有限元分析软件ANSYS对该阻尼器剪切间隙中的磁感应强度进行仿真研究,得到了微纳米磁流变液阻尼器剪切间隙中的磁感应强度与外加电流之间的关系,验证了阻尼器磁路设计的合理性。为了更好的模拟人体在运动过程中的步态,将假肢膝关节机构简化为平面四连杆机构,机构的上下连杆分别与残肢接受腔和微纳米磁流变液阻尼器相连,设计出新型的微纳米磁流变阻尼假肢膝关节,并模拟了人体在平地行走中的膝关节运动状态,为微纳米磁流变阻尼假肢膝关节的进一步研究提供了理论和实验依据。
【图文】：

第 1 章 绪论及意义故及自然灾害的频发，导致截肢患者的数量急约有 3000 万人需要假肢和矫形器，亚洲约有 67 1.1)，非洲有 170 万膝上截肢者，南美洲有 7发展中国家 90-95%的膝上截肢患者不具备任何费用[4]。而我国约有 44 万下肢截肢者[5]，且每日常活动发挥着至关重要的作用，既要在站立体在行走过程中屈曲运动的灵活性，截肢患者[6, 7]，还因肢体残缺和步态异常而承受生理和社会压力[8]，在促使残缺肢体再生的医疗修复肢者重返正常生活是补偿其运动功能的唯一可

第 4 页上海应用技术大学 硕士学位论文阻力屈伸(弹簧存储能量)，在摆动期实现无阻力的屈伸运动(弹簧释放所存储的能量)。这种假肢膝关节的驱动力矩主要是依靠患者残肢实现运动控制，实现难度低，且行走步速固定，，是市场上的主流产品。但被动膝关节在行走过程中不提供主动助力，膝关节力矩不能根据正常步态的过渡进行调整，运动协调功能差，难以保证在步速变化及复杂的路况条件下(如上下坡道)实现较高稳定性的行走，舒适性欠缺，与正常人体自然、协调的步态相比，存在较大的差距[17, 18]，仍需进一步提升步态的对称性以及自然性[19]。另外若没有足够的阻尼缓冲，在摆动期结束时会对残肢末端造成冲击，因此，其对阻尼的要求较高。缺失部分肌肉所能传递的能量需截肢者消耗大量的新陈代谢能量(大约多出60%来进行补偿。
【学位授予单位】：上海应用技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：R318.1;TB383.1

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本文编号：2608794