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1、中国机械工程第19卷第1期2008年1月上半月新型仿生膝关节的机构设计与仿真研究12121杨义勇王人成王延利金德闻田尚云1.中国地质大学(北京),北京,1000832.清华大学,北京,100084摘要:通过对假肢膝关节系统的功能原理分析,提出了多种新型假肢膝关节结构方案,拟定了结构方案比较与选择的基本要求与准则,完成了结构设计与技术设计;结合运动仿真分析,确定了膝关节在主动屈曲时回转摆动缸的摆动范围,分析了下蹲过程中的机构力矩变化规律。设计与仿真的结果对于连骨式假肢膝关节设计、双足步行机器人开发有参考价值。关键词:假肢膝关节;仿生构形设计;运动仿真;拟人机器人中
2、图分类号:TH137.51;R323.7文章编号:1004—132X(2008)01—0072—03HumanoidDesignandMovementSimulationofaNewKneeProsthesis12121YangYiyongWangRenchengWangYanliJinDewenTianShangyun1.ChinaUniversityofGeosciences(Beijing),Beijing,1000832.TsinghuaUniversity,Beijing,100084Abstract:Accordingtothefunctionala
3、nalysis,severalkneeprostheseshadbeenproposed.Thestructureofthekneeprosthesiswasdeterminedbyamulti-factorfuzzycompositejudgemethod.Technologicaldesignwascarriedout,andusingmovementsimulation,themovementrangeofthecy2cle-cylinderandthetorquewithsquattingwereestablished.Thistechnological
4、methodcanbeusedinthedesignofthekneeprosthesis,andcanbeusedinthedesignofHumanoidrobot.Keywords:prosthesiskneejoint;bionicsshapedesign;movementsimulation;humanoidrobot0引言子功能1:站立相和摆动相中连接或锁定小给肢体残疾者安装人工假肢,是实现缺失机腿机构,并可承受额定载荷。能代偿的唯一有效手段。目前,我国高性能下肢子功能2:前进时可伸展,配合大腿摆动,实假肢核心部件———膝关节一直被国外公司所垄现向前
5、迈步。[1,2]断,我国主要制造简单的机械连杆式膝关节。子功能3:后退时主动屈曲,实现向后迈步。同时,代表21世纪假肢技术革命性变化的连骨式按照结构设计的基本原则,各种子功能应由[2]假肢,对于膝关节的仿生特性也有较高的要求。对应的功能载体来承担,即由一定的结构来承担,开发符合我国国情的高性能膝关节,一直是康复对应每一个结构都应该明确地完成一定的功能。[325]工程学和假肢机构学的重要课题。膝关节结构设计的关键点放在以下几个方面:①本文结合康复假肢及拟人机器人相关课题研前进伸展的力源选择及结构设计;②后退屈曲力究实际,通过对假肢膝关节系统的功能原理分析,源及缓冲
6、机构的结构设计;③连接锁定机构承载提出了多种膝关节结构方案。能力及安全系数保证。根据以上的分析,本文参考形态学方法、建立1膝关节系统的功能原理分析[6,7]形态学矩阵,将各个分功能作为目标标记,而膝关节系统的作用主要是“连接”股骨和小腿分功能的各种解法列为目标特征。结合可行性和并实现小腿的“伸展与屈曲”。实用性对功能分解及其相应解法列表(表1),进“连接”应能保证摆动相和站立相的灵活与稳而得到不同的结构组合方案。定“,伸展与屈曲”是指实现向前迈步或者实现主表1膝关节功能分解动后退方式。对系统的分析可得到膝关节的功能分功能解法1解法2解法3⋯⋯分解。连接棘轮+锁定
7、杆多轴连杆机构制动块锁定器⋯⋯步进电机+连磁流变液+总功能:在一定承载能力和可靠性条件下“连前进伸展回转液压缸⋯⋯杆机构阻尼器接”股骨和小腿并实现小腿主动“伸展与屈曲”。步进电机+直流电机+接受腔摆动+后退屈曲⋯⋯蓄能器弹簧阻尼器气动装置收稿日期:2006—09—10基金项目:国家自然科学基金资助项目(50475017);科学钻探国按照形态学方法,在理论上形态学矩阵还可家专业实验室开放基金资助项目(NLSD200607)以有许多解法(n≥3),可能的结构方案种类繁多。·72·新型仿生膝关节的机构设计与仿真研究———杨义勇王人成王延利等在研究中根据机构实现的难易程
8、度、制造成本等由以上的各
