基于Pro／Mechanism的仿生膝关节优化设计与运动仿真研究

《基于Pro／Mechanism的仿生膝关节优化设计与运动仿真研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、2009年6月机床与液压Jun．2009第37卷第6期MACHINETO0L＆HYDRAULICSV01．37No．6基于Pro／Mechanism的仿生膝关节优化设计与运动仿真研究李燕(武汉科技学院机电工程学院，湖北武汉430070)摘要：设计了用于数字化三维人体模型或假肢的四连杆膝关节，为了达到理想的运动效果，以膝机构瞬心坐标实际值与理想值之差最小，即膝机构的实际瞬心曲线与理想的膝关节瞬心轨迹相一致为目标函数，在五维设计空间中求得一组最优解，利用Pro／E具有几何约束和尺寸驱动等参数化设计功能，无需进行烦琐复杂的公式推导即可建立满足约束要求的数学模型，并应用Pro／E的多目

2、标设计研究功能求得满足运动要求的杆件参数，在此基础上进行膝关节机构的三维造型及装配，进而在Pro／Mechanism环境下对仿生膝关节杆机构进行运动仿真。关键词：Pro／Mechanism；四连杆膝关节；运动仿真；优化设计中图分类号：TH112．1；K318．7文献标识码：A文章编号：1001—3881(2009)6—183—3OptimizedDesignandMotiveSimulationofBionicKneeJointBasedonPro／MechanismLIYan(CollegeofMachineandElectronic，WuhanUniversityofSci

3、enceandTechnology，WuhanHubei430070，China)Abstract：The4-barbionickneejointwasdesignedfordigital3-Dhumanbodymodelorartificiallimb．Toreachtheidealaim，withthediferencebetweenactualvalueofkneemechanismtwinklingcenteranditsidealdataminimizedasobjectedfunction，thatistomaketheactualtwinklingcenterof

4、thekneemechanismaccordwithitsidealvalue，agroupofoptimizedsolutionsin5-dimensiondesignspacewereobtained．TousethegeomanticlimitationandsizedrivingfunctionsofPro／E，themathematicalmodelwhichsaris-tieslimitedconditionCanbebuiltandtheaccuratestructuralparametersofthebarscanbeobtainedwithoutcomplex

5、formuladeriva·tion．The3-dimentionmodelofkneejointmechanismandassemblywerecarriedout，andthemotionofbionickneejointbarsystemwassimulatedunderPro／Mechanism．Keywords：Pro／Mechanism；4一barbionickneejoint；Motionsimulation；Designoptimization0引言在三维数字人体模型的运动仿真中，关节的运动是保持虚拟人体运动真实性的基础。膝关节是人体运动最关键的机构，在3-D服

6、装设计和假肢制造过程中，仿生膝关节的设计及其运动的仿真度一直依赖于复杂的数学计算和对产品的反复试验改进。作者探讨了一种较为简便而实用的方法，即利用三维建模软件Pro／EWildfire的多目标设计研究功能和(a)Pro／Mechanica功能对仿生膝关节四杆机构进行优化图1JGoodfellow与JO’Connor用四连连和仿真，可快速求得满足膝关节运动要求的杆件参杆机构模拟真实膝关节弯曲状态数。图2为用Pro／E绘制的模拟真实膝关节弯曲情形1基于人体膝关节瞬心轨迹的膝关节机构优化的四连杆机构，连杆3为AB，连杆1为连杆CD，P4设计为膝关节弯曲时的瞬晴旋转中心，设四连杆的长度

7、变1．1建立膝关节四杆机构的数学模型量分别为z，、z：、z。、z，四连杆机构的结构角变量为图1是JGoodfellow与JO’Connor以四连杆机构O／：，P42的坐标值变量为舵和，在Pro／E中，可设模拟真实膝关节弯曲的情况]，连接杆AD为固定连置下列关系式：杆，BC~IJ固定在股骨上，跟随股骨的弯曲而移动。42=rsd54连杆AB与CD的位置随着股骨弯曲相对变化，两边杆Y42：rsd53的交点则为膝关节弯曲时的瞬暗旋转中心。ll=sdS0收稿日期：2008—06—12基金项目：湖北省教