[發明專利]一種基于張拉整體結構的仿生膝關節結構及控制方法設計

有效

• 申請號: 202110754144.6
• 申請日: 2021-07-05
• 公開（公告）號: CN113509299B
• 公開（公告）日: 2023-04-18
• 發明（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）人: 長春工業大學
• 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構的仿生膝關節結構，其特征在于，包括以下結構：

1)分析人體膝關節的生理特征和運動特點，將膝關節運動過程中發揮相同功能的韌帶、肌肉以及骨骼結構簡化為同一個繩、桿結構達到對人體膝關節結構簡化目的，仿生膝關節張拉整體結構由四根桿和四組繩結構組成，在仿生膝關節結構中，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構，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，使用繩結構代表簡化后的肌肉結構，四根繩的初始長度即繩未經拉伸的長度為，其中，等于，大于，節點A和B可以沿x軸左右平移，節點E和F作為轉動關節固定仿生髕骨前緣平面上，節點E、F距離參考坐標系原點的距離均為L3；

2)為體現仿生膝關節結構的仿生性能，一種基于張拉整體結構的仿生膝關節結構仿照膝關節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節在運動時過度伸直，固定在仿生髕骨后緣面上的轉向結構和與其相連的連桿結構作為仿生髕骨結構，通過二連桿機構BD-DE與AC-CF實現了在外力作用下仿生膝關節結構的限位功能，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動關節向上方旋轉，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旋轉，實現人體膝關節的限位功能；

3)對仿生膝關節結構進行運動學分析，包括仿生膝關節的奇異構型和工作區間，對于仿生膝關節結構，采用ADAMS軟件對系統工作區間進行仿真實驗得到結構的工作區間，由于該機構模仿人體膝關節限位功能，在垂直于x軸的外力的作用下，該機構的經過限位功能限制后的工作區間上界可被視為仿生膝關節結構進行伸直運動的奇異構型，正是由于限位功能的存在使得仿生膝關節結構在進行伸直運動時不能達到實際的奇異構型，從而避免對人體造成傷害，在仿生膝關節結構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間的上界，即仿生膝關節結構伸直運動時的奇異構型，此外，分析了仿生膝關節結構的動能和勢能，其中系統的動能由桿的運動引起，所以仿生膝關節結構的動能為：

其中m1和m2是桿L1以及桿L2的質量，此外，系統的勢能為：

?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節力矩。