[發明專利]一種柔性抗沖擊仿生拉壓體膝關節

有效

• 申請號: 201810185562.6
• 申請日: 2018-03-07
• 公開（公告）號: CN108542559B
• 公開（公告）日: 2020-01-10
• 發明（設計）人: 梁威;任雷;錢志輝;王坤陽;吉巧麗;任露泉
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: A61F2/64
• 分類號: A61F2/64
• 代理公司: 22201 長春吉大專利代理有限責任公司
• 代理人: 邵銘康;朱世林

一種柔性抗沖擊仿生拉壓體膝關節屬機器人技術領域，本發明包含受壓體(仿生股骨、仿生脛骨)和受拉體(仿生柔質韌帶)，受拉體分別與受壓體連接，形成仿生膝關節結構；受拉體的預應變和材料屬性可調，能適應兩足機器人的多種速度和負載狀態。仿生股骨髁和仿生脛骨髁的仿人體骨骼曲面外形，使膝關節能產生三個自由度的轉動，在面對高速或大載荷時，額狀面和橫斷面內的轉動能有效緩解外部力或力矩的沖擊。受拉體與受壓體互相連接形成一個空間三維拓撲結構，當其受到外載荷擾動時，會通過該拓撲結構將力傳遞到其他的受壓體和受拉體，最終形成一種不需要能量輸入的被動自穩定結構，可抵抗多維度機械阻抗、簡化控制、減小能耗。

技術領域

本發明屬機器人技術領域，具體涉及一種柔性抗沖擊仿生拉壓體膝關節。

背景技術

目前雙足機器人的膝關節為實現其運動自由度和穩定性，多被簡化設計為機械式鉸鏈連接結構(銷子-軸承連接)。機器人在高速行走或者奔跑等高速動態運動過程中，鉸鏈膝關節往往會承受較大的拉壓、剪切、彎曲和扭轉等多種類型載荷的作用，因此需要通過實時精確控制實現關節穩定，進而也使得系統的控制系統復雜化，提高了能耗。另外，在高速動態運動過程中，機器人足底受到地面的沖擊作用力往往會對關節造成很大的沖擊，從而使得機器人的剛性膝關節容易損壞，需要經常更換，由此，嚴重限制了機器人的運動性能提升和實用化。

而人體各關節在日常活動中不僅能保持各種靜態、動態的姿勢，承受各種類型的載荷，同時還能高效、長期的保持關節的健康與穩定。研究表明，這是因為人體的關節具有精細的骨骼系統，該系統又可細分為骨骼、軟骨與韌帶，多條韌帶束縛骨骼連接形成關節并保證關節的穩定性。從生物力學角度來看，骨骼系統中的骨骼、軟骨均主要承受壓載荷，而韌帶則主要承受拉力作用。由此，動物的腿部骨骼系統可視為是由具有空間拓撲結構特征的主要受拉的柔性韌帶、與主要受壓的剛性骨骼構成的有機體，是一種存在于生物體的特殊“拉壓體結構”。

在人體的眾多關節中，膝關節是最復雜的一個關節，它承載人體腿部和上身的重量，且能使腿部做靈活的屈伸運動。由拉壓體結構的概念，膝關節包含的受壓體有：股骨、脛骨、腓骨、半月板纖維軟骨，受拉體有：內側副韌帶、腓側副韌帶、前交叉韌帶、后交叉韌帶、腘韌帶、髕韌帶。其中，股骨、脛骨、腓骨與半月板軟骨主要承受關節壓力；內、腓側副韌帶主要限制膝關節內旋/外旋和內翻/外翻運動，前、后交叉韌帶和腘韌帶主要限制膝關節的屈/伸運動和內旋/外旋運動，髕韌帶主要限制膝關節的屈運動。人體膝關節依靠受拉體與受壓體的緊密結合和相互作用，具備了抗沖擊的柔性，還具有被動穩定自平衡特性。

綜觀上述雙足步行機器人膝關節的研究現狀及人體膝關節“拉壓體”優異的結構特征，急需一種柔性抗沖擊的仿生拉壓體膝關節。

發明內容

本發明提了供一種基于人體骨骼肌肉系統“拉壓體結構”理念的，應用于雙足機器人的柔性抗沖擊仿生拉壓體膝關節。