动力踝关节假肢设计与仿真.pdf

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1、l訇秒似动力踝关节假肢设计与仿真ModeIdesignandsimulationforpoweredankle-footprosthesis冉洋冰，曹恒，朱钧RANYang—bing，CAOHeng，ZHUJun(华东理工大学机械与动力工程学院，上海200237)摘要：介绍了踝关节假肢的发展现状，为了达到人体理想的行走步态，对一个周期内的步态过程进行了研究，设计了一种具有主动驱动力源的踝关节假肢模型，整个机构采用串联弹性驱动系统和并联弹性板辅助来模拟步态整个周期运动过程。通过使用SolidWorks、ANSYS和ADAMS

2、软件的虚拟样机联合仿真，进行了一个步态周期内的踝关节假肢的仿真过程，结果表明该踝关节假肢模型能够实现正常的步态运动，并能够得到类似正常人体行走的踝关节角度和角速度曲线，验证了机构的可行性。关键词：踝关节假肢；虚拟样机技术；ADAMS；动力学联合仿真中图分类号：THI64文献标识码：B文章编号：Doi：10．3969／J．issn．1009-0134．2014．06(上)．110引言姿态和摆动姿态，而站立姿态又可以细分为控制对截肢患者而言，主动式踝关节假肢有着不跖屈、背屈阶段、动力跖屈这三个阶段。整个这可替代的作用。在早期穿

3、戴假肢的患者多采用被四个过程分别以脚跟着地、脚掌着地、最大背屈动式假肢弥补身体功能上的缺失，但是由于此种和足趾离地为划分点。根据步态运动特性，提出被动式假肢结构简单、不灵活等特点，导致穿戴者采用电机驱动串联弹性板对踝关节进行驱动，这行走僵硬迟缓，并不能拥有类似正常人的行走步种串联弹性柔性驱动器的最主要特点就是能满足态。而主动式踝关节假肢可以通过提供主动的驱动类似于人体生物关节柔顺性和抗冲击的特点。另力和弹性板储能机构来使穿戴者能获得类似人体生外机构中还融合了并联弹性板，从而形成一种具物特性的行走步态，提高截肢者穿戴的舒适度

4、。有主动的动力驱动，又有被动并联弹性板辅助运在这一领域取得比较大的发展成果主要包动的踝关节假肢。括：HughHerr团队设计开发人体动力踝关节，期望所设计模型能够完成人体正常行走的典采用仿生学的设计思路模拟正常人行走过程中的型基本步态(如图1所示)，并且获得踝关节模型固有生物特性；Ossur公司研制的智能脚，在运动的运动参数和阻抗特性曲线，能与正常人体行走过程中不断适应环境改变；陈静等设计了主动式的生物力学特性曲线类似。假肢，并采用迭代学习控制算法和伺服系统来进行控制仿真计算。韩亚丽等设计的低功耗踝关节假肢采用主被动相结合

5、的方式使假肢具有低功耗，且行走具有类似人体生物特性曲线的特点。本文采用SolidWorks三维建模软件建立了一立种主动式踝关节假肢的模型，其中弹性部分采用控猁屈⋯背届阶段动力跖丽摆动阶段ANSYS建立柔性体模型，随后应用MSC．ADAMS脚跟着摊脚掌黄地最大背属足趾离地脚跟着地动力学分析软件，对其进行动力学仿真和分析。图1正常人体行走步态周期1主动式踝关节机械系统建模在行走过程中，踝关节角度变化、力矩和功通过对人体正常行走的步态研究，把人体行率的变化是设计中机构的选型标准，根据文献【5】走的其中一个周期分为两个主要姿态分别

6、为站立中的踝关节角度、踝关节角速度以及力矩变化曲收稿日期：2014-04-03基金项目：国家自然科学基金(51275170)作者简介：冉洋冰(1989一)，男，四川人，硕士研究生，主要研究方向为踝关节假肢仿真与控制。[401第36卷第6期2014—06(上)务I违訇化线，可得到基本的参考参数，踝关节角度变化范模型中的电机作为驱动力源，F．电机输出围为一15。--~25。，最大扭矩为133Nm，最大角速度力，I一电机转动惯量，B一电机阻尼，电机经过一为5rad／s。主动式踝关节的整体结构组成，如图2个传动比为R的减速系统与一

7、个刚度为K的串联弹性所示。板连接，输出一个踝关节转矩T。对于踝关节来看，可以得到转动系统的等效惯量和等效阻尼B：电机和Me=Rlm，=尺％(1)相对与踝关节的输入力F满足公式：F=+BeX(2)那么动力踝关节假肢满足下列方程：{【=。一芳)x其中，Fm为动力源输出力，F为串联弹性驱动系统的输出力。串联弹性驱动系统是一种具有柔图2踝关节假肢整体结构组成顺性的驱动器，具有类似人体生物关节的柔性性和抗冲击能量，忽略并联弹性板的作用，踝关节人体步态运动较为复杂，设计时把整个步态假肢驱动器输出力F可以表示为：运动行为看作是串联弹性驱

8、动系统和并联弹性板B(s)=—Fro(s)-(It't而,sz+n,s)Xz(s)共同作用的结果。采用电机作为动力源，驱动s(4)一个同步带轮减速系统，经过减速后再驱动一个其中X为负载位移，负载位移X1相对于串联弹线性滚珠丝杆，通过滚珠丝杆轴的旋转运动，使性驱动器输出力F。的传递函数可表示为：得滚珠丝杆