带有磁流变阻尼器J型假肢阻尼特性分析

　　人在行走过程中的缓冲减振主要发生在行走的支撑相的前半阶段［1］，在该阶段内腿部要缓解在下落时地面对身体的冲击，此时腿部的阻尼随时间发生快速、复杂的非线性变化。如果运动条件变化很大时会对腿部产生很大的冲击，该冲击主要是通过神经系统控制软骨组织的粘弹性组织和部分肌肉来缓冲的。J 型假肢( 如图 1) 具有良好的非线性弯曲性，其主要分成安装器、J 型弯曲部分和脚掌。人们在以前的研究中更多的是从 J 型弯曲部分的材料和刚度以及外形曲线等方面［2-3］。一般安装在假肢安装器上有软硅橡胶或软纤维等阻尼材料，这些阻尼元件在运动中就不能快速响应，在短时间不能产生合适的变阻尼力。针对此问题中川昭夫在1986 年首先提出了基于微处理器的气动式摆动式智能假肢［4］，实现了对假肢阻尼的半主动控制。徐心和、傅莉等对基于磁流变阻尼器( 以下简称 MR阻尼器) 技术的高级智能假肢进行了初步的研究，他们采用 Lord 公司的 RD-100 型 MR 阻尼器完成智能假肢膝关节的半主动控制，产生快速的变阻尼来缓冲假肢与身体的冲击力，从控制的角度阐述了磁流变阻尼器在假肢上安装的可能性［5-6］。针对假肢佩戴者在运动过程中地面的强烈冲击使假肢与人身部位产生疼痛、红肿，本文应用 MR 阻尼器来实现沿腿方向的不同运动状态的缓冲减振的理论，改善了假肢和人身体的冲击。

　　1 MR 阻尼器阻尼特性

　　MR 阻尼器的体积小、速度快、阻尼变化范围大的变阻尼器件，它的感应控制元件也很简单，可安装在 J 型假肢的安装器部分。它是靠电流改变磁场大小来控制磁流变液粘度的一种性能优良的半主动控制装置。

　　1． 1 MR 阻尼缓冲模型

　　选取常用的 Bingham 模型对 MR 阻尼器进行力学分析［7］:

　　Fd= Fc+ c2x' ( 1)

　　式中: Fd为磁流变阻尼器的阻尼力，Fc为磁流变阻尼器的库仑阻尼力，c2为磁流变体的阻尼系数，x' 为磁流变阻尼器活塞杆的速度。

　　根据磁流变阻尼器的库仑阻尼力与速度的函数图像符合 Sigmoid 函数，故将库仑阻尼力拟合为Sigmoid 函数:

　　式中: Fm为阻尼器的屈服力; β 为磁流变阻尼器指系数。

　　再考虑到阻尼器的刚性力，对 Bingham 模型进行修正:

　　其中 Fn为磁流变阻尼器的粘滞阻尼力; Fk为磁流变阻尼器的弹性阻尼力; k2为阻尼器弹性系数。

　　1． 2 粘滞阻尼系数 c2

　　由于 MR 阻尼器活塞直径( Dp) 远大于间隙高度( d) ，可把 MR 阻尼器简化为磁流变液在压力下通过活塞与缸筒之间的环形间隙。假设紧贴活塞表面和缸筒内壁的流体的速度为零。因磁场方向的不同可大致分为激活区和非激活区，如图( 2) 。