新型假肢膝关节的设计与仿真研究.pdf

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1、第6期机械设计与制造2015年6月MachineryDesign&Manufacture5新型假肢膝关节的设计与仿真研究吴波，陈照波，程明(哈尔滨工业大学机电工程学院，黑龙江哈尔滨150001)摘要：假肢膝关节是假肢最重要的结构，对假肢性能具有至关重要的影响。从仿生性角度出发，提出一种新型假肢膝关节结构。以踝关节轨迹作为步态评判标准，建立机构的运动学模型。论述模型结构的优化原则、目标函数以及约束条件，运用LINGO软件编程对模型中的尺寸参数进行优化。将优化后的结构模型运用ADAMS进行仿真分析，验证模型及优化的

2、正确性。仿真结果表明，运用设计的新型假肢膝关节的假肢能够较好地模拟正常人行走的踝关节轨迹，具有较好的行走步态。关键词：假肢膝关节；仿生性；踝关节轨迹；步态；优化；仿真中图分类号：TH16；TP11文献标识码：A文章编号：1001—3997(2015)06—0005—04DesignandSimulationofaNewPrOstheticKneeJointWUBo，CHENZhao-bo，CHENGMing(SchoolofMechatronicsEngineering，HarbinInstituteofTec

3、hnology，HeilongjiangHarbin150001，China)Abstract：Prosthetickneeisthemostimponantstructureoftheprosthesisandithasaveryimportantinfluenceonthepe咖阳删eoftheprosthesis．Proceedfromthebionics，anewstructureofprosthetickneeisdesigned．Thekinematicsmodeloftheinstitutioni

4、sproposedbasedonthegaitoftheanklejointtrack．Then，theprincipleofoptimization，objectivefunctionandconstraintconditionsal'ediscussedandtheparametersofthemodelisoptimizedusingLINGO．AtlastthesimulationanalysisusingADAMSisusedtoverifythecorrectnessofthemodelandopt

5、imization．TheresultsindicatethatprosthesisusingthekneejointdesignedhereCanwellsimulatenormalanklejointtrackandhasarelativegoodwalkinggait．KeyWords：ProstheticKnee；Bionics；AnkleJointTrack；Gait；Optimization；Simulation1引言地行走、上下楼梯、坐立等不同形式的运动又能保证行走时的灵潘}生与美观性。当前，国内

6、外许多研究机构对假肢尤其是假肢膝随着汽车的普及、工业的发展、杀伤性武器的出现、自然灾关节进行了大量研究。文献暇j．人体膝关节瞬时转动中心以及多害的频发以及人们生活方式的转变，成千上万的人因为交通事连杆膝关节和单轴膝关节性能优劣进行了研究，得到其瞬时转动故、生产事故、战争、自然灾害和疾病造成截肢，而且这一数字每中心不是定，而是一条J形曲线。文献也分别对四连杆膝关节年都以惊人的速度增长。根据国务院公布的2006年第二次全国步态进行了研究，验证了四连杆膝关节具有较好的运动步态。文献残疾人抽样调查主要数据公报显示全国各

7、类残疾人总数竟高达建立了单轴与多连杆膝关节的稳定性模型，对两者进行了稳定牲的8296万人，占全国总人口的比例为6．34％，其中肢体残疾多达比较和瞬心轨迹对稳定陛影响的描述。以上研究主要针对两种现有2412万人f1_。相比1987年的调查结果，我国残疾人数量及占总人的膝关节结构，研究了各自的性E台旨特点。设计在以上研究结论的基口的比例均有很大幅度的上升目。据研究表明，肢体残疾的人当中础上提出新型的膝关节结构以得到综合性能更为优异的假肢膝下肢截肢人数约为158万人，约占截肢总数的85％~J。可见下肢截关节。建立膝关

8、节的数学模型，并通过LINGO软件对模型参数进肢者数量巨大且增长速度很快。下肢截肢者失去了行走的能力，行优化，最后通过ADAMS进行模型仿真，验证优化结果。生活极其不便，而且经常会遭遇外界异样的眼光，所以不管是生理上还是心理上都非常痛苦。由于现在的医疗水平下肢体不能再2机构设计生，因此下假肢研究对于大腿截肢者回归正常生活、重拾生活信2．1现有膝关节结构介绍心意义重大，而其中膝关节的结构