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《電子設(shè)計工程雜志》2014年第十一期

1關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)分析

出于簡化模型的需要，將膝關(guān)節(jié)簡化為一個旋轉(zhuǎn)自由度的機構(gòu)，當腿部做伸展運動時，股四頭肌產(chǎn)生了伸展運動。以人體重心為觀測中心，以下肢為例，距離人體重心越遠的肢體部分，步行或者跑步時相對轉(zhuǎn)動角度越大。為了簡化分析，假設(shè)仿生關(guān)節(jié)股骨部分靜止，脛骨繞旋轉(zhuǎn)中心做旋轉(zhuǎn)運動。由于仿生髕骨做滑動運動，不產(chǎn)生主動力，故將模型分為兩部分分析：第一部分包括股骨、髕骨以及連接股骨與髕骨的肌肉，假設(shè)股骨部分靜止，肌肉收縮，帶動髕骨運動；第二部分包括髕骨、脛骨以及連接髕骨與脛骨之間肌肉，假設(shè)髕骨靜止，肌肉收縮，帶動脛骨運動，因此可以將膝關(guān)節(jié)簡化為兩套曲柄搖桿機構(gòu)，圖1（c）為其簡的化機械結(jié)構(gòu)。人體關(guān)節(jié)的伸展結(jié)構(gòu)見圖1（a）所示，圖1（b）為其簡化的數(shù)學結(jié)構(gòu)，圖1（d）為優(yōu)化前的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)。圖中：l1-股骨肌肉附著點在股骨軸上投影到膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動中心的距離；l2-膝關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心與髕骨兩處肌肉附著點連線交點的距離；l3-脛骨肌肉附著點在脛骨軸上投影到轉(zhuǎn)動中心的距離；h1-股骨肌肉附著點到股骨軸距離；h2-髕骨肌肉（與股骨連接的肌肉）附著點到交點的距離；h3-髕骨肌肉（與脛骨連接的肌肉）附著點到交點的距離；h4-脛骨肌肉附著點到脛骨軸距離；其中Φ為膝關(guān)節(jié)股骨與脛骨夾角銳角部分，為關(guān)節(jié)運動角。

2仿生關(guān)節(jié)優(yōu)化數(shù)學模型的建立

人體膝關(guān)節(jié)運動范圍[6-7]，是指從全收縮模式到全舒張模式的角度范圍準，93°是一個行走運動需要的基本要求；106°是一個下蹲需要的角度；135~145°是關(guān)節(jié)可以達到的最大范圍。傳動角是從動件和連接從動件的傳動件之間的夾角，是衡量有效力傳遞的一個重要指標。而仿生關(guān)節(jié)包含了兩個傳動角，為雙目標優(yōu)化函數(shù)，通過引入權(quán)重將雙目標函數(shù)簡化模型為單目標函數(shù)，目標函數(shù).

3優(yōu)化設(shè)計算例

由于仿生關(guān)節(jié)用于不同用途，其關(guān)節(jié)運動范圍不同，這里通過人體步行為例，對于本文研究的仿生膝關(guān)節(jié)傳動角優(yōu)化方法進行說明。分析人體步態(tài)情況時，假設(shè)人在步行時膝關(guān)節(jié)運動范圍為（準min，準max）。從參考文獻[9]實驗獲得的力矩曲線中可得仿生膝關(guān)節(jié)扭矩的峰值與關(guān)節(jié)夾角的關(guān)系，利用這一關(guān)系以及設(shè)計空間限制對尺寸進行矯正，從而在滿足設(shè)計要求范圍內(nèi)，使得目標函數(shù)取得最優(yōu)值。從人體運動分析曲線[7]可知，人體運動時關(guān)節(jié)運動的角度范圍為準min=64°，準max=184°。本算例仿生關(guān)節(jié)初始設(shè)計參數(shù)為h1=30，l1=250，h2=15，l2=50，h3=15，l3=250，h4=30，傳動角在這一條件下的最小值為32與15。用人體膝關(guān)節(jié)扭矩的峰值與角度的關(guān)系及本項目的設(shè)計尺寸要求，參考文獻[8]的算法對關(guān)節(jié)步行運動進行優(yōu)化。優(yōu)化后參數(shù)為h1=82.1，l1=225.5，h2=27.4，l2=75.2，h3=27.4，l3=40，h4=9.1，目標函數(shù)最優(yōu)值為120，傳動角的最小值為60與60。圖2為優(yōu)化后的仿生關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)。

4結(jié)束語

本文對于仿生機構(gòu)的設(shè)計，可以滿足運動姿態(tài)等需要的機械結(jié)構(gòu)模式很多，在初期結(jié)構(gòu)設(shè)計階段，選擇一種有效力傳動性能高的機械設(shè)計模式，對整個系統(tǒng)性能提升十分有益。本文針對仿生膝關(guān)節(jié)提出了基于傳動角最優(yōu)的機構(gòu)多參數(shù)優(yōu)化設(shè)計方法，可以獲得優(yōu)良的仿生膝關(guān)節(jié)傳動性能，本文機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化的結(jié)果與人體膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)比例一致。本方法可以廣泛運用于各類仿生關(guān)節(jié)機構(gòu)（如：肩關(guān)節(jié)，髖關(guān)節(jié)等）設(shè)計中。

作者：陳垚單位：西北工業(yè)大學機電學院商洛學院計算機科學系陜西省尾礦資源綜合利用實驗室