Adams智能假肢膝关节仿生机构设计与运动学分析(2)

菜单

4 工作总结与展望 31

4.1 工作总结 31

4.2 展望 32

1 绪论

1.1课题研究的背景和意义

1.1.1课题的研究背景

当今社会，由于各种原因丧失了行走能力的群体已不断增多，无疑给他们的生活、工作带来了极大的不便。穿戴下肢假肢完全可以达到对人体缺失功能的补偿，使患者生活自理完成工作，从而回归社会。下肢假肢的主要功能部件是膝关节和假腿，尤以假肢膝关节最为重要.一个良好的假肢膝关节可以保证患者在支撑期(从足跟触地到足趾离地的期间)的稳定性和摆动期(从趾离地到踵触地的期间)的灵活性，自然地行走，并使患者具有良好的步态，同时也是整个假肢性能和寿命的决定因素[1]。

传统假肢膝关节采用带锁定器或可承重自锁膝关节等; 其阻尼采用摩擦、气或液压缸阻尼[2] , 它无法跟随人腿步态改变. 1986年中川昭夫首先构想出基于微处理器的气动式摆动控制的膝关节[3], 这种膝关节可通过微处理器控制电机调节气缸回路针阀开度来调节气缸阻尼, 装有这种膝关节的假肢称为智能假肢[4]。智能假肢是20世纪后10年发展起来的具有高性能的新一代假肢。与普通假肢相比，其主要功能特点是能根据外界条件变化和工作要求，自动调整假肢系统的参数，使其工作可靠，运动自如，具有更好的仿生性[5]。

件：一般安装在假肢本体内部，用于调整假肢运动的参数，力参数、结构参数等。使假肢按要求工作[5]。

1.1.2 课题的研究意义

的研究课题。目前, 它还处于发展的初步阶段, 随着相关技术的发展, 智能仿生腿必然越来越完善, 并最终可以非常好地代替人体残缺的下肢[6]。

1.2 关于智能假肢膝关节的国内外研究现状

1.3 膝关节采用的控制技术

膝关节的控制技术总体来说可以归结为以下几个方面：

（1）连杆机构：四连杆机构的膝关节可以加强假肢在支撑期的安全性和稳定性，不影响截肢者在摆动期内的正常行走。进入20世纪90年代后，国际上又出现了五连杆及六连杆的膝关节，对假肢在支撑期的安全可靠性又有了进一步的加强。

（2）气压控制装置：膝关节具有牢固性、灵活性、柔韧性、稳定性及轻巧性等特点，气压膝关节均可以满足上述特点并具有重量轻、体积小等优点，对人在快速行走时产生的较大冲击力可以有效地消除。

(3) 液压装置：液压装置可以控制膝关节的摆动，更适合快速行走和跑步，能够承受更大的负荷，它通过伺服驱动技术可以更加精准地控制膝关节的运动，从而实现假肢下楼梯的功能。

（4）智能化控制装置：近年来，运用计算机控制技术，采用微处理器对假肢实现智能控制的方法开始盛行。通过计算机来控制气压或液压装置的阀门开度，截肢者可以随心所欲地快走或慢走，有效地减少了截肢者的体力消耗[13]。

2 机构选型及运动分析

2.1机构的选型

机构的选型：由于人体膝关节瞬心轨迹具有可变性这一特点，单轴膝关节固定的转动中心必然导致假肢与人腿协调性较差。满足假肢膝关节设计的机构的种类有很多，其中四连杆机构因为其较低的成本，相当高的可靠性，成为目前市场上最为常见的假肢膝关节设计机构[15]。其瞬时转动中心轨迹为J型曲线，通过优化可以使其瞬心轨迹与人体膝关节瞬心轨迹接近。因此本文选择四杆机构进行研究。

2.2模型建立与运动学分析

在直角坐标系内建立如图1所示的封闭矢量四边形，以C为原点。4根杆的杆长及其与水平面的夹角分别为和（i=1，2，3，4），（下关节体）与小腿固连，（上关节体）与大腿固连[16]。膝关节的瞬时转动中心即大腿绕小腿的相对旋转中心，根据三心定理，三个任意作平面运动的构件之间，其相对瞬心必定位于同一条直线上。因此，P即为膝关节四杆机构的瞬心。