[發(fā)明專利]一種基于張拉整體結(jié)構(gòu)的仿生膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)及控制方法設計

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110754144.6
• 申請日: 2021-07-05
• 公開（公告）號: CN113509299B
• 公開（公告）日: 2023-04-18
• 發(fā)明（設計）人: 孫中波;趙立銘;劉克平;王剛;段曉琴;易江;衡燾韜
• 申請（專利權(quán)）人: 長春工業(yè)大學
• 主分類號: A61F2/64
• 分類號: A61F2/64;A61F2/70
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.一種基于張拉整體結(jié)構(gòu)的仿生膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括以下結(jié)構(gòu)：

1)分析人體膝關(guān)節(jié)的生理特征和運動特點，將膝關(guān)節(jié)運動過程中發(fā)揮相同功能的韌帶、肌肉以及骨骼結(jié)構(gòu)簡化為同一個繩、桿結(jié)構(gòu)達到對人體膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)簡化目的，仿生膝關(guān)節(jié)張拉整體結(jié)構(gòu)由四根桿和四組繩結(jié)構(gòu)組成，在仿生膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)中，桿?AC是由股骨簡化而來的桿，BD是由脛骨和腓骨簡化而來的桿，桿?CF和DE可以視為是從髕骨和附近的組織中簡化的具有相同功能的桿結(jié)構(gòu)，桿AC和桿CF的長度分別為?L1和L2，其中L1大于L2，二連桿機構(gòu)BD-DE與AC-CF對稱，此外，腘繩肌和脛骨前肌簡化為一塊肌肉，縫匠肌、半膜肌、股薄肌和半腱肌簡化為一塊肌肉，股四頭肌簡化為一塊肌肉，腓腸肌可視為一塊肌肉，使用繩結(jié)構(gòu)代表簡化后的肌肉結(jié)構(gòu)，四根繩的初始長度即繩未經(jīng)拉伸的長度為，其中，等于，大于，節(jié)點A和B可以沿x軸左右平移，節(jié)點E和F作為轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)固定仿生髕骨前緣平面上，節(jié)點E、F距離參考坐標系原點的距離均為L3；

2)為體現(xiàn)仿生膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的仿生性能，一種基于張拉整體結(jié)構(gòu)的仿生膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)仿照膝關(guān)節(jié)在進行伸直運動時的限位功能，即髕骨和髕骨附近的韌帶組織能夠防止膝關(guān)節(jié)在運動時過度伸直，固定在仿生髕骨后緣面上的轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)和與其相連的連桿結(jié)構(gòu)作為仿生髕骨結(jié)構(gòu)，通過二連桿機構(gòu)BD-DE與AC-CF實現(xiàn)了在外力作用下仿生膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的限位功能，在施加方向向上垂直于x軸的外力的作用下，二連桿第一部分由平衡位置繞轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)向上方旋轉(zhuǎn)，直到二連桿第一部分垂直于x軸，在這種情況下，即使在外力的作用下也無法繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)人體膝關(guān)節(jié)的限位功能；

3)對仿生膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)進行運動學分析，包括仿生膝關(guān)節(jié)的奇異構(gòu)型和工作區(qū)間，對于仿生膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，采用ADAMS軟件對系統(tǒng)工作區(qū)間進行仿真實驗得到結(jié)構(gòu)的工作區(qū)間，由于該機構(gòu)模仿人體膝關(guān)節(jié)限位功能，在垂直于x軸的外力的作用下，該機構(gòu)的經(jīng)過限位功能限制后的工作區(qū)間上界可被視為仿生膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)進行伸直運動的奇異構(gòu)型，正是由于限位功能的存在使得仿生膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)在進行伸直運動時不能達到實際的奇異構(gòu)型，從而避免對人體造成傷害，在仿生膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的平衡位置施加垂直于x軸的外力的作用下，由平衡位置在外力作用下達到工作區(qū)間的上界，即仿生膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)伸直運動時的奇異構(gòu)型，此外，分析了仿生膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的動能和勢能，其中系統(tǒng)的動能由桿的運動引起，所以仿生膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的動能為：

其中m1和m2是桿L1以及桿L2的質(zhì)量，此外，系統(tǒng)的勢能為：

?其中，，k1,k2,k3,k4為四根繩的剛度，此外在建模過程中考慮了彈簧阻尼力，使用拉格朗日方法，動力學模型定義為：

其中?math display = 'block'mrowmiq/mimo=/momsupmrowmo stretchy='false'[/momitheta;/mimo,/momigamma;/mimo stretchy='false']/mo/mrowmiT/mi/msup/mrow為廣義坐標，math display = 'block'mrowmovermiq/mimosdot;/mo/movermo=/momsupmrowmo stretchy='false'[/momovermitheta;/mimosdot;/mo/movermo,/momovermigamma;/mimosdot;/mo/movermo stretchy='false']/mo/mrowmiT/mi/msup/mrowmath display = 'block'mrowmsubmovermiq/mimosdot;/mo/movermiqh/mi/msubmo=/momsupmrowmo stretchy='false'[/momsupmovermitheta;/mimosdot;/mo/movermn2/mn/msupmo,/momsupmovermigamma;/mimosdot;/mo/movermn2/mn/msupmo stretchy='false']/mo/mrowmiT/mi/msup/mrow，math display = 'block'mrowmsubmovermiq/mimosdot;/mo/movermiqg/mi/msubmo=/momsupmrowmo stretchy='false'[/momovermitheta;/mimosdot;/mo/movermovermigamma;/mimosdot;/mo/movermo,/momovermigamma;/mimosdot;/mo/movermovermitheta;/mimosdot;/mo/movermo stretchy='false']/mo/mrowmiT/mi/msup/mrow?，u和為控制力矩和人體膝關(guān)節(jié)力矩。