主动柔顺膝关节助力机构设计.doc

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1、主动柔顺膝关节助力机构设计作者：韦祖拔　纪平鑫　莫新民来源：《大东方》2018年第08期        摘要：为提高助力外骨骼的可穿戴性和柔顺性能，基于双椭圆模型提出了一种主动柔顺的膝关节助力机构，采用平面四连杆机构结合串联作动器的设计方法进行结构设计。与传统单铰链的刚性机构相比，该机构更匹配人体膝关节运动，克服了传统刚性结构容易导致人体运动受限，出现过强的约束力，舒适性不足，人机交互力波动明显的缺点。人机耦合计算结果表明机构与人体的能满足运动学匹配，人机交互波动小，具备较好的可穿戴性能。        关键词：膝关节；下肢外骨骼；主动；柔顺；机构设计        1.引言        

2、膝关节在日常活动中一直受到高强度的载荷，容易疲劳老化，受到损伤。为了增强人体机能，提高人体的耐疲劳度，本文开展外骨骼膝关节助力机构设计。目前，膝关节助力以刚性结构为主，对于穿戴式助力这种“人在环”的特殊系统，刚性结构容易导致人体运动受限，出现过强的约束力，导致舒适性变差，人机交互力波动明显；而主动柔顺助力系统穿戴的主观感受好，对人体的运动范围影响很小，系统更具灵活性，在边防巡逻、城市作战等军事领域和助老助残领域具有很大的应用价值。        本文由膝关节运动机理出发，基于双椭圆模型，提出了柔顺化的膝关节助力机构，采用平面串联四连杆的方案的进行膝关节助力机构的设计，并进行人机耦合计算与分析

3、。结果显示机构与人体运动更贴合，人机交互力波动较小，具备较好的可穿戴性能。        2.人体膝关节模型建立        人体膝关节运动模型是机构设计的重要依据。真实人体膝关节十分复杂，由小腿胫骨、大腿胫骨、韧带、肌肉等组成，胫骨之间的接触面并不规则，所以在膝关节屈伸时接触面之间并不是纯滚动，而是滚动中还夹杂着滑动。单铰链约束会导致膝关节实际运动轨迹不够贴合，会影响穿戴者的舒适度，还可能引起一定的运动干涉，甚至损伤人体。因此，为获取更符合人体膝关节实际运动的模型，对膝关节运动模型的研究很有必要。        近年来许多学者在研究利用简化模型来描述膝关节在矢状面的运动，应用比较广泛的3

4、个模型，有双圆心模型，双椭圆模型，速度瞬心模型[1]。通过比较发现，双椭圆模型能较好模拟实际膝关节运动中转动与滑动的运动过程。由此本文选择以王东海等提出的双椭圆模型[2]为基础，进行更深入的研究。基于解析法选定参考系，根据实际尺寸参数，建立了双椭圆模型，并进行理论分析，推导出双椭圆相对运动关系。        膝关节的建模和分析在矢状面内进行，如图1所示。        该模型将人体膝关节的胫骨和股骨分别简化为椭圆B和椭圆D。以人体踝关节的转动中心O点为原点建立直角坐标系，矢状面内水平向膝关节后面为X轴正方向。B，D位于两椭圆的几何中心。OB为人体小腿的轴线，OD为人体的大腿轴线。E点为大腿

5、上端端点。大腿与小腿轴线的夹角为膝关节的角度。人体平地行走时，膝关节由完全伸直到弯曲，角度从-5°变化到约120°。C点为两椭圆接触点。C点的起始接触点C0坐标由C0点到后胫骨中心线ITPC的距离d确定。初始位置d=23mm。两椭圆的相关参数[3]所示：        根据国家标准人体尺寸[4]，人体大小腿长度和身高H呈一定的比例关系。按照人体身高的百分数[3，取人体身高H=175cm。取小腿长，大腿长。OB的长度为小腿长度与椭圆B的小径之间的差值。同理，DE的长度为大腿长度与椭圆D的小径之间的差值，即。O点为坐标原点（0，0），B点坐标为（0，398.5），D点坐标为（-15.5，500）

6、，初始接触点C0点坐标为（-8，415.8），D点的坐标为（-15.5，445），E点坐标（-15.5，968）。膝关节滑转的示意图如图1右边所示。由于C点是上下椭圆的联接点，其存在既转又滑的问题。膝关节由完全伸直到弯曲120°的过程中，接触点C也随之变化C点在两椭圆弧的轨迹如图所示。        膝关节行走中的滑转，可以由各参数点坐标在上、下椭圆的轨迹随膝关节角度θ的变化来描述。为求出膝关节角度θ与C点的关系，下面引入椭圆极坐标下的圆心角和向径来描述。        3.机构设计        外骨骼的可穿戴性要求它需要合理的机构设计。良好的机构设计方案和布局可以提高穿戴舒适度，减少人机

7、交互力，同时也便于动力单元，传感单元等的布置，使结构更加紧凑轻巧，便于穿戴。        目前外骨骼机构有单铰链结构和多连杆结构，包括四连杆，五连杆结构等。单铰链结构形式简单，驱动以及控制方便，但是单自由度铰链限制了膝关节既转又滑的运动，机械刚性过大不够柔顺，易造成人机运动不匹配，甚至损伤人体。人-机使用过程中的并联过约束特性也是刚性机构的硬伤，需要花费巨大的精力和心血去解决过约束外骨骼结构，应具有比较容易