新型仿生膝关节的机构设计与仿真研究

中国机械工程第１９卷第１期２００８年１月上半月新型仿生膝关节的机构设计与仿真研究杨义勇１王人成２王延利１金德闻２田尚云１１．中国地质大学（北京），北京，１０００８３２．清华大学，北京，１０００８４摘要：通过对假肢膝关节系统的功能原理分析，提出了多种新型假肢膝关节结构方案，拟定了结构方案比较与选择的基本要求与准则，完成了结构设计与技术设计；结合运动仿真分析，确定了膝关节在主动屈曲时回转摆动缸的摆动范围，分析了下蹲过程中的机构力矩变化规律。设计与仿真的结果对于连骨式假肢膝关节设计、双足步行机器人开发有参考价值。关键词：假肢膝关节；仿生构形设计；运动仿真；拟人机器人中图分类号：ＴＨｌ３７．５１；Ｒ３２３．７文章编号：１００４～１３２Ｘ（２００８）０１一００７２一０３ａＨｕｍａｎｏｉｄＤｅｓｉｇｎａｎｄＭｏｖｅｍｅｎｔＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆＹａｎｇＮｅｗＫｎｅｅＰｒｏｓｔｈｅｓｉｓＹｉｙｏｎ９１．ＷａｎｇＲｅｎｃｈｅｎ９２１．ＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆ２．ＴｓｉｎｇｈｕａＴｉａｎＳｈａｎｇｙｕｎｌＷａｎｇＹａｎｌｉｌＪｉｎＤｅｗｅｎ２Ｇｅｏｓｃｉｅｎｃｅｓ（Ｂｅｉｊｉｎｇ），Ｂｅｉｊｉｎｇ，１０００８３Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ，１０００８４Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎａｌａｎａｌｙｓｉｓ，ｓｅｖｅｒａｌｋｎｅｅｐｒｏｓｔｈｅｓｅｓｈａｄｂｅｅｎｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅｋｎｅｅｐｒｏｓｔｈｅｓｉｓｗａｓｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄｂｙａｍｕｌｔｉ—ｆａｃｔｏｒｆｕｚｚｙｃｏｍｐｏｓｉｔｅｉｕｄｇｅｍｅｔｈｏｄ．Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌｄｅｓｉｇｎｗａｓｃａｒｒｉｅｄｏｕｔ，ａｎｄｕｓｉｎｇｍｏｖｅｍｅｎｔｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ｔｈｅｍｏｖｅｍｅｎｔｒａｎｇｅｏｆｔｈｅｃｙ—ｃｌｅ—ｃｙｌｉｎｄｅｒａｎｄｔｈｅｔｏｒｑｕｅｗｉｔｈｓｑｕａｔｔｉｎｇｗｅｒｅｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．Ｔｈｉｓｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌｍｅｔｈｏｄｉｎｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｋｎｅｅｐｒｏｓｔｈｅｓｉｓ，ａｎｄＫｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｒｏｓｔｈｅｓｉｓｋｎｅｅｃａｎｃａｎｂｅｕｓｅｄｂｅｕｓｅｄｉｎｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆＨｕｍａｎｏｉｄｒｏｂｏｔ．ｓｈａｐｅｄｅｓｉｇｎ；ｍｏｖｅｍｅｎｔｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｈｕｍａｎｏｉｄｒｏｂｏｔｊｏｉｎｔ；ｂｉｏｎｉｃｓ０引言给肢体残疾者安装人工假肢，是实现缺失机子功能１：站立相和摆动相中连接或锁定小腿机构，并可承受额定载荷。子功能２：前进时可伸展，配合大腿摆动，实现向前迈步。子功能３：后退时主动屈曲，实现向后迈步。按照结构设计的基本原则，各种子功能应由对应的功能载体来承担，即由一定的结构来承担，对应每一个结构都应该明确地完成一定的功能。膝关节结构设计的关键点放在以下几个方面：①前进伸展的力源选择及结构设计；②后退屈曲力源及缓冲机构的结构设计；③连接锁定机构承载能力及安全系数保证。根据以上的分析，本文参考形态学方法、建立形态学矩阵［６’７］，将各个分功能作为目标标记，而分功能的各种解法列为目标特征。结合可行性和实用性对功能分解及其相应解法列表（表１），进而得到不同的结构组合方案。表１分功能连接前进伸展解法１能代偿的唯一有效手段。目前，我国高性能下肢假肢核心部件——膝关节一直被国外公司所垄断［１’２］，我国主要制造简单的机械连杆式膝关节。同时，代表２１世纪假肢技术革命性变化的连骨式假肢［２］，对于膝关节的仿生特性也有较高的要求。开发符合我国国情的高性能膝关节，一直是康复工程学和假肢机构学的重要课题［３巧］。本文结合康复假肢及拟人机器人相关课题研究实际，通过对假肢膝关节系统的功能原理分析，提出了多种膝关节结构方案。１膝关节系统的功能原理分析膝关节系统的作用主要是“连接”股骨和小腿并实现小腿的“伸展与屈曲”。“连接”应能保证摆动相和站立相的灵活与稳定，“伸展与屈曲”是指实现向前迈步或者实现主动后退方式。对系统的分析可得到膝关节的功能分解。总功能：在一定承载能力和可靠性条件下“连接”股骨和小腿并实现小腿主动“伸展与屈曲”。膝关节功能分解解法２解法３棘轮＋锁定杆多轴连杆机构制动块锁定器步进电机＋连杆机构步进电机＋蓄能器回转液压缸直流电机＋弹簧阻尼器磁流变液＋阻尼器接受腔摆动＋气动装置后退屈曲收稿日期：２００６—０９—１０基金项目：国家自然科学基金资助项目（５０４７５０１７）；科学钻探国家专业实验室开放基金资助项目（ＮＬＳＤ２００６０７）・按照形态学方法，在理论上形态学矩阵还可以有许多解法（挖≥３），可能的结构方案种类繁多。７２・万方数据新型仿生膝关节的机构设计与仿真研究——杨义勇王人成王延利等由以上的各个集合构成一个矩阵，称之为模糊矩阵，其表达式如下：２结构设计ａ１１口１２ａ２１口２２为了设计出适合我国的假肢膝关节产品，我们详细分析了根据功能原理分析而得到的各种可行结构的工作原理和结构形式。依据力源和动作方式，结合实用性分析，主要考虑以下９种结构方案：①步进电机连杆机构膝关节结构；②磁流变液智能控制回转缸膝关节结构；③液压与气压双缸式膝关节结构；④直流电机与铰接杆机构膝关节结构；⑤多轴连杆机构弹簧式膝关节结构；⑥气动装置膝关节结构；⑦棘轮锁定杆膝关节结构；⑧直流电机弹簧阻尼器膝关节结构；⑨步进电机＋液制了机械图，并进行了机构运动仿真分析。糊集表示：口ｍ１ａｍ２根据模糊评判理论，综合评判结果用下述模Ｘ—Ｑ＊ＲＱ一（ｚ１，５［７２，…，ｚ。）式中，Ｑ为权重系数矩阵，满足关系式∑ｚ：一１（ｉ一１，２，…，ｍ）；运算符“＊”表示模糊矩阵乘号。模糊矩阵的算法是将矩阵Ｑ中的各元素与矩阵Ｒ中的每一列（如第ｉ列）元素逐对互相比较而取其中较小的，这样得到ｍ个数，再从ｍ个数中选取最大的，得到一个数（计为Ｙ：），一共可以得到咒个数。计算结果可表示如下：Ｙ一（ｙ１，Ｙ２，…，Ｙ。）为了使评价结果更容易被理解，将所得到的模糊集ｘ归一化处理：本文对以上各种结构方案，结合“多因素模糊数学综合评判方法”［７３进行评价。先拟定结构方案比较与选择的基本要求与准则，这些基本要求与准则主要体现在因素集合中。本文规划了“膝关节结构评判表”，如表２Ｃ，一Ｙ１／∑Ｙｉ，Ｃ。一Ｙｚ／∑ｙｌ’．一，Ｃ。一ｙ。／∑ｙ；由此得到Ｃ一｛Ｃ，，Ｃ。，…，Ｇ），Ｃ即为最后得到的对结构的综合评价。这些量化的指标成为确定膝关节结构形式的重要根据。同时，在技术设计阶段还结合部分从事假肢设计、制造、拟人机器人的专家的意见和建议，确定具体结构型式，拟定零部件的优化设计准则等。Ｉｌ（Ｕｉ）结构简图（１，２，…）（略）Ｉ‰１２．２仿真分析与设计结果为了分析膝关节在下肢系统中的运动情况，利用机械工程软件进行了仿真分析。仿真动作包括人体在后退、受到外部突然推力等状况，下肢应急后退、小腿向后主动屈曲并保持身体平衡的情况。三维运动仿真示意图见图１。膝关节控制屈伸动作系统示意图见图２。该种新型膝关节已申报国家发明专利。结构方案采用的回转摆动缸的机构（图３），同时设计有膝关节承重自锁、解锁机构以及较完善的阻尼调节装置，且通过上下支撑体同膝上残肢相连。设计的膝关节力矩调整系统，在假肢正式使用前，根据使用者的个人特征对假肢进行相应的调节。小腿作伸展运动过程中，回转摆动缸机构腔体绕活塞和腔体的配合面作逆时针转动，液压油可以在伸展回路内自由流动，保证假肢的顺利伸展。在伸展的后期，左右腔被隔开，从而实现承重自锁功能，由于橡胶缓冲环、扭簧和油路具有较好的阻尼效果，从而保证了假肢伸展过程中的稳定（描述）Ｖ。个集合：①评语集合Ｖ一｛Ｖ１，Ｖ２，…，Ⅵ）；②因素集合Ｕ＝｛Ｕ，，巩，…，阢）。其中，集合Ｖ取值为｛决定性指标，重要指标，一般指标，参考指标），用来描述各种设计指标及重要度。集合Ｕ给定以下各参数指标：运动安全性、机构复杂程度、连杆机构传动比、缓冲阻尼性能、液压缸动作次数、机构死点、动作灵敏度、承重自锁、安全保护装置、液压或气动的密封性能、弹簧类型、屈曲时的振动冲击特性、锁定对集合Ｕ中的每一个元素，按评语对各个指标进行评价，以因素评价法为基础，就可以得到多万方数据・７３・中国机械工程第１９卷第】期２００８年１月上半月活塞锁位图４活塞在腔体内范围圈１三维运动仿真示意图图５下蹲过程的力矩图施单元、微处理单元。在任意角度下，当膝关节承重时，控制开关关闭，可实现任意步态及各种路况图２新型膝关节控制屈伸动作系统示意图的自锁。当系统识别出后退状态之后，系统连续发若干个脉冲到步进电机，电机带动换向阀阀芯旋转到开启位置。这种新型结构设计有以下的特点：（１）屈曲与锁定功能稳定。带有新型回转式液压控制装置，能有效地利用空间，且油路布置相对简易，由承重量决定的液压式支撑保险，根据行走速度决定摆动期控制，可靠性高。（２）环境适应性好。对膝关节的力矩控制较好，伸展终位缓冲阻尼，能较好地满足行进中对不图３回转摆动缸机构简图同路况的要求。（３）没有运动死点，易于维护，尺寸相对国外同类产品较小，成本较低。３性和缓冲效果。小腿在屈曲运动过程中，上支撑体将会绕活塞和腔体的配合面旋转一定的角度。在运动过程中，上支撑体与腔体将产生较大的角位移，进而产生较大的助伸扭矩。根据人体生理运动范围等，限制了活塞在腔体内活动范围（图４）。下蹲过程的力矩计算结果如图５所示，其中，ＡＰ为活塞两侧面均布压力差；Ｆ，、Ｆ。分别为大腿重力和腿上躯体重力，Ｆ，产１２０Ｎ，Ｆ。＝２４０Ｎ。运用动力学方法计算了力矩变化过程特点，保证力矩峰值在设计范围内。在实际样机中，还设计了后退路况识别与实・结语本文重点对仿生膝关节进行了功能原理分析、结构方案设计和参数确定，设计开发的新型假肢膝关节与国外同类先进产品比，性能可靠，成本较低，具有重要的社会意义和市场前景。新型膝关节在连骨式假肢、拟人机器人等方面的功能的实现情况，今后需要有大量实际使用数据和实验数据来优化，以逼近真实人体运动模式，真正实现“全方位”假肢的拟人化功能。（下转第７０页）７４‘万方数据５Ｒ柔性并联机器人系统运动微分方程——杜兆才余跃庆３．８ｍｍ。因此，分析柔性机器人的弹性运动误差ｓｉｓｏｆＨｉｇｈ—ｓｐｅｅｄＦｌｅｘｉｂｌｅＭｅｃｈａｎｉｓｍ［Ｊ］．Ｍｅｃｈａ—有重要的理论意义和应用价值。ｎｉｓｍａｎｄＭａｃｈｉｎｅＴｈｅｏｒｙ，１９８１，１６（４）：４０７—４２４．［４］ＧａｂｒｉｅｌＰ．ＤｙｎａｍｉｃＦｉｎｉｔｅ—ｅｌｅｍｅｎｔＡｎａｌｙｓｉｓｏｆａＰｌａｎａｒＨｉｇｈ—ｓｐｅｅｄ，Ｈｉｇｈ—ｐｒｅｃｉｓｉｏｎＰａｒａｌｌｅｌＭａ—ｎｉｐｕｌａｔｏｒｗｉｔｈＦｌｅｘｉｂｌｅＬｉｎｋｓ［Ｄ］．Ｔｏｒｏｎｔｏ，Ｃａｎａ—ｄａ：ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｏｒｏｎｔｏ，２００３．［５］ＣｌｅｇｈｏｒｎＷＩ。．ＡｎａｌｙｓｉｓａｎｄＤｅｓｉｇｎｏｆＨｉｇｈ—ｓｐｅｅｄＦｌｅｘｉｂｌｅＭｅｃｈａｎｉｓｍ［Ｄ］．Ｔｏｒｏｎｔｏ，Ｃａｎａｄａ：Ｕｎｉｖｅｒ—ｓｉｔｙｏｆＴｏｒｏｎｔｏ，１９８０．［６］ＰａｚＭ．ＳｔｒｕｃｔｕｒａｌＤｙｎａｍｉｃｓ：ＴｈｅｏｒｙａｎｄＣｏｍｐｕｔａ—图７ｘ方向的运动误差ｔｉｏｎ［Ｍ］．ＮｅｗＹｏｒｋ：ＶａｎＮｏｓｔｒａｎｄＲｅｉｎｈｏｌｄ，３２１９８０．ｌＯ（编辑郭伟）ｌ２３作者简介：杜兆才，男，１９７２年生。北京工业大学机电学院博士４５研究生，北京航空制造工程研究所工程师。研究方向为机器人６学、机器人动力学。发表论文１５篇。余跃庆，男，１９５８年生。北７京工业大学机电学院教授。图８Ｙ方向的运动误差（Ｉ－接第７４页）在考虑、忽略杆件纵向柔性的情况下，分别计参考文献：算目标点的运动误差，二者的瞳线基本吻合，误差［１］王人成，杨年峰，朱长虹，等．人体下肢摆动相冗余很小，平均相对误差为４．８％。可见，考虑杆件纵肌力分析［Ｊ］．清华大学学报（自然科学版），１９９９，向柔性时，以计算时间增加４４％为代价，计算精３９（１１）：１０４－１０６．度提高了４．８％。所以，弯曲变形是柔性机器人［２］金德闻，王人成．人工智能假肢［Ｊ］．中国临床康复，杆件的主要变形形式，在精度允许的前提下，可以２００２，６（２０）：１－６．忽略纵向柔性，以提高计算效率。［３］杨义勇，华超，王人成．人体负重深蹲过程中下肢冗余肌肉力分析［Ｊ］．清华大学学报，２００４，４４（１１）：３结论１４９３—１４９６．［４］ＳｕｌｌｉｖａｎＪ，ＵｄｅｎＭ，ＲｏｂｉｎｓｏｎＫＰ，ｅｔａ１．Ｒｅｈａｂｉｌｉ—本文基于运动弹性动力学理论和有限元方ｔａｔｉｏｎｏｆｔｈｅＴｒａｎｓ—ｆｅｍｏｒａｌＡｍｐｕｔｅｅｗｉｔｈａｎＯｓ—法，改进了一种柔性机器人建模方法，考虑了杆件ｓｅｏｉｎｔｅｇｒａｔｅｄＰｒｏｓｔｈｅｓｉｓ：ｔｈｅＵｎｉｔｅｄＫｉｎｇｄｏｍＥｘ—的纵向柔性，建立了平面５Ｒ柔性并联机器人的ｐｅｒｉｅｎｃｅ［Ｊ］．Ｊ．Ｐｒｏｓｔｈｅｔ８ＬＯｒｔｈｏｔ，２００３，２７（２）：系统运动微分方程。这对于分析动力学性能、减１１４－１２０．小运动误差、控制弹性振动、优化设计等后续研究［５］金德闻，王人成．电流变液智能下肢假肢摆动相控工作都是非常必要和有意义的。通过计算分析说制原理和方法Ｉ－Ｊ］．清华大学学报，１９９８，３８（１）：４０—明，杆件的弹性对于活动平台的运动误差及弹性４３．振动具有重要的影响。本文采用的建模方法简［６］杨义勇，王延利，王人成．单线循环索道驱动系统与检测装置［Ｊ］．中国机械工程，２００７，１８（５）：５１４—５１７．单，模型精度高，计算时间较短，通用性强，可推广［７］杨义勇．新型架空索道脱挂抱索器的研究设计［Ｊ］．用于建立复杂的柔性并联机器人的运动微分新技术新工艺，２０００，８：２１—２３．方程。（编辑郭伟）参考文献：作者简介：杨义勇，男，１９６６年生。中国地质大学（北京）工程技［１１ＳａｎｔｏｓｈａＫＤ，ＰｅｔｅｒＥ．ＤｙｎａｍｉｃＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＦｌｅｘｉ—术学院副教授。研究方向为智能与生物机械、拟人机器人等。发ｂｌｅＭａｎｉｐｕｌａｔｏｒｓ，ａＬｉｔｅｒａｔｕｒｅＲｅｖｉｅｗ［Ｊ］．Ｍｅｃｈａ—表论文５０余篇。王人成，男，１９６６年生。清华大学精密仪器与ｎｉｓｍａｎｄＭａｃｈｉｎｅＴｈｅｏｒｙ，２００６，４１（６）：７４９－７７７．机械学系副教授。王延利，男，１９６９年生。中国地质大学（北京）［２］ＦｅｎｇＧ．ＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅＥｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆＴｗｏ—ｄｅｇｒｅｅ－－工程技术学院博士研究生。合德闻，女，１９３９年生。清华大学精ｏｆ—ｆｒｅｅｄｏｍＰｌａｎａｒＰａｒａｌｌｅｌＲｏｂｏｔｓ［Ｊ］．Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ密仪器与机械学系教授、博士研究生导师。田尚云，女，１９８６年ａｎｄＭａｃｈｉｎｅＴｈｅｏｒｙ，１９９８，３３（６）：６６１—６６８．生。中国地质大学（ｊＥ京）工程技术学院硕士研究生。［３］ＣｌｅｇｈｏｒｎＷＬ，ＦｅｎｔｏｎＲＧ．ＦｉｎｉｔｅＥｌｅｍｅｎｔＡｎａｌｙ一万方数据・７９・新型仿生膝关节的机构设计与仿真研究作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：杨义勇，王人成，王延利，金德闻，田尚云，YangYiyong，WangRencheng，WangYanli，JinDewen，TianShangyun杨义勇,王延利,田尚云,YangYiyong,WangYanli,TianShangyun(中国地质大学(北京),北京,100083)，王人成,金德闻,WangRencheng,JinDewen(清华大学,北京,100084)中国机械工程CHINAMECHANICALENGINEERING2008,19(1)1次参考文献(7条)1.杨义勇新型架空索道脱挂抱索器的研究设计[期刊论文]-新技术新工艺2000(08)2.杨义勇;王延利;王人成单线循环索道驱动系统与检测装置[期刊论文]-中国机械工程2007(05)3.金德闻;王人成电流变液智能下肢假肢摆动相控制原理和方法[期刊论文]-清华大学学报(自然科学版)1998(01)4.SullivanJ;UdenM;RobinsonKPRehabilitationoftheTrans-femoralAmputeewithanOsseointegratedProsthesis:theUnitedKingdomExperience2003(02)5.杨义勇;华超;王人成人体负重深蹲过程中下肢冗余肌肉力分