[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

本發明公開了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。針對人體膝關節的康復問題，基于仿生學原理，結合張拉整體結構剛柔耦合特性設計一種基于張拉整體結構的仿生膝關節結構。設計抗噪型歸零神經網絡模型作為控制方法。在仿生膝關節結構建立過程中考慮以下幾點：a.根據人體膝關節肌肉、韌帶、骨骼等組織承擔的功能不同，將具有相同功能的組織簡化為繩、桿結構，從而實現對人體膝關節的簡化；b.分析仿生膝關節結構的運動學特性，并建立動力學模型；c.考慮膝關節伸直時的限位功能，通過連桿結構實現在外力作用下仿生膝關節結構的限位功能；d.在動力學模型中考慮人體膝關節力矩，體現膝關節運動對仿生膝關節結構的影響。

技術領域

本發明涉及張拉整體結構、膝關節仿生學、仿生結構領域，涉及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。

背景技術

張拉整體結構具有的形態可調性、受力可控性以及繩索抗拉性和結構輕質性等特點在仿生學領域有著重要作用。在康復訓練過程中，由于中風引起下肢偏癱、肢體運動不協調等癥狀使得人體下肢關節尤其是膝關節的康復訓練活動變得至關重要。人體膝關節由許多骨骼、肌肉和韌帶組成，所以膝關節可以被視為剛柔耦合結構。因此，從仿生學角度分析，不能簡單地將膝關節結構映射到傳統的剛性連桿結構中。另一方面從膝關節肌肉、韌帶以及骨骼強耦合的特點可以利用具有剛柔耦合特性的張拉整體結構建仿生膝關節結構。

現階段，基于人體下肢運動步態特點，一種膝關節康復機器人已經被設計出來，這種膝關節康復機器人采用剛柔耦合結構，作為一種無源外骨骼康復機器人，它具有重量輕，工作效率和有源外骨骼康復機器人一樣等特點。另外，基于仿生學原理，兩種基于踝關節和膝關節的仿生結構已被研發。這兩種仿生結構充分考慮了人體踝關節和膝關節的生理結構。在結構設計中，把人體膝、踝關節的骨骼視為張拉整體結構的桿結構，而關節組織中的肌肉、韌帶等組織被視為張拉整體結構的繩結構。并且在結構設計過程中分析了張拉整體結構的運動學。但由于結構的復雜性，在設計這兩種張拉整體仿生結構時并沒有考慮張拉整體結構的動力學模型以及控制方法設計，另外這兩種仿生結構并沒有考慮在噪聲條件比如機械結構誤差、機械震動、部件間摩擦、反饋信號的噪聲、外部靜摩擦等因素下張拉整體仿生結構的運行情況。

綜上所述，對基于仿生人體下肢關節動力學分析的仿生張拉整體結構的進一步研究是仿生下肢關節結構的關鍵環節。因此本發明提出了一種基于張拉整體結構的仿生膝關節結構。基于仿生學原理，把人體下肢膝關節視為一種剛柔耦合機構。張拉整體結構的桿結構可以被視為膝關節的骨骼，而膝關節中的肌肉、韌帶等組織通常可以視為張拉整體結構的繩結構。另外考慮到膝關節髕骨及其附近的組織對膝關節的限位功能，利用二連桿結構在施加外力的情況下實現了仿生膝關節結構的限位功能。此外，分析了基于張拉整體結構的仿生膝關節結構的運動學和動力學模型。進一步，由于在康復過程中膝關節會產生力矩，所以在仿生膝關節結構設計中考慮了人體膝關節力矩在康復過程中對仿生膝關節動力學模型的影響。最后由于在仿生膝關節的運行過程中，噪聲項比如機械結構誤差、機械震動、部件間摩擦、反饋信號的噪聲、外部靜摩擦等因素是不可避免的，所以設計了一種具有抗噪性能的NTZNN模型，并對仿生膝關節結構進行控制方法設計。并且驗證了在NTZNN模型中在添加噪聲項比如機械結構誤差、機械震動、部件間摩擦、反饋信號的噪聲、外部靜摩擦等因素后對仿生膝關節結構運行并不造成影響。

發明內容

本發明涉及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，在符合人體下肢膝關節仿生學原理的情況下，本發明的技術方案如下：

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，所述膝關節仿生結構及其控制方法設計所包含內容如下：

S1：基于仿生學原理，將人體膝關節在運動時承擔不同功能的骨骼、肌肉和韌帶簡化為張拉整體結構的繩、桿結構。

S2：基于S1中建立的基于張拉整體結構的仿生膝關節結構，分析仿生膝關節結構的運動學性質，其中包括幾何結構、奇異構型以及工作區間。