李 寧,郭明恩,王 彬,曹宇宸

（煙臺(tái)大學(xué)機(jī)電汽車工程學(xué)院,山東 煙臺(tái) 264005）

1 引言

目前我國(guó)假肢產(chǎn)品大部分性能不佳，質(zhì)量不高，與世界先進(jìn)水平差距很大。研制出高性能先進(jìn)的假肢，打破國(guó)外壟斷現(xiàn)狀，提高我國(guó)殘疾人的生活質(zhì)量迫在眉睫。七軸六桿式假肢膝關(guān)節(jié)不僅有時(shí)變的瞬心，而且可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)，對(duì)截肢者的適應(yīng)性更好[1]。奧索公司的拓托七軸幾何鎖膝關(guān)節(jié)，是一款代表業(yè)內(nèi)多軸膝關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的膝關(guān)節(jié)，這款膝關(guān)節(jié)體積和重量都不大，適合各種不同步速行走、活動(dòng)不受限的社區(qū)范圍步行者。

2 主要結(jié)構(gòu)分析

該膝關(guān)節(jié)是一個(gè)六桿機(jī)構(gòu)，如圖1假肢膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。

AB桿連接大腿HI，EG桿連接小腿JK。AB桿 長(zhǎng)：25mm，BCF桿 三 桿 長(zhǎng) 度：BC：46mm，CF：30mm，BF：76mm，CDE桿三桿長(zhǎng)度：CD：30mm，DE：21mm，CE：17mm，F(xiàn)G 桿 長(zhǎng)：17mm，EG桿長(zhǎng)：37mm。

3 建模及仿真

通過對(duì)該膝關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)分析，我們運(yùn)用UG對(duì)其進(jìn)行了三維建模，模型如圖2所示。模型建好后導(dǎo)入Adams 進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，設(shè)AB桿為固定副，ABCDEFG七個(gè)軸設(shè)為轉(zhuǎn)動(dòng)副，A軸為驅(qū)動(dòng)軸，轉(zhuǎn)動(dòng)角速度為5.0d。每轉(zhuǎn)動(dòng)10度自動(dòng)保存一次運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，共保存了12個(gè)狀態(tài)。

4 瞬心求解

現(xiàn)以轉(zhuǎn)到10度為例介紹該膝關(guān)節(jié)瞬心求解過程。該膝關(guān)節(jié)為典型的六桿機(jī)構(gòu)，對(duì)于六桿機(jī)構(gòu)的瞬心求解，我們可以運(yùn)用高等機(jī)構(gòu)學(xué)[2]中的方法求解。把運(yùn)動(dòng)鏈簡(jiǎn)圖轉(zhuǎn)化成它的變換圖，即把構(gòu)件用點(diǎn)表示，把兩構(gòu)件之間的回轉(zhuǎn)副用兩點(diǎn)連線表示。圖1所示連桿機(jī)構(gòu)可以表示成圖3（1）所示。圖3（2）中點(diǎn)代表構(gòu)件，那么點(diǎn)與點(diǎn)之間的連線代表兩構(gòu)件之間的回轉(zhuǎn)副。7條實(shí)線代表7個(gè)真實(shí)的回轉(zhuǎn)副，也代表相連兩構(gòu)件之間的瞬心。其余4條虛線代表不直接相連兩個(gè)構(gòu)件假想的回轉(zhuǎn)副，同時(shí)也代表這兩個(gè)構(gòu)件之間的瞬心?？傊瑘D3（2）中任意一個(gè)三角形的任意三個(gè)邊，都代表兩頂點(diǎn)（構(gòu)件）之間的瞬心，有三心定理可知，它們應(yīng)在同一直線上。由此定理可推知，圖3（2）中任意一個(gè)四邊形各邊的瞬心已知時(shí)，其對(duì)角線的瞬心可求。例如圖3（2）、（3）中當(dāng)四邊形cdef各邊的瞬心Pcd、Pde、Pef、Pcf已知時(shí)，對(duì)角線的瞬心Pce、Pdf可求，因?yàn)樵谌切蝐ef中，Pce應(yīng)該在直線PcfPef上，在三角形cfe中，Pce應(yīng)在直線PcdPde上，那么兩直線交點(diǎn)就是Pec。同理Pdf應(yīng)在直線PcdPcf和直線PdePef的交點(diǎn)上。

我們的目的是求大腿和小腿的相對(duì)瞬心，即桿EG（e）相對(duì)于桿AB（b）的瞬心Pbe。根據(jù)上述方法，在四邊形bced中，Pbe應(yīng)在直線PbcPce和直線PdePbd的交點(diǎn)上，從圖3（3）中可以看出瞬心Pbc、瞬心Ped，這兩個(gè)瞬心是屬于相連兩桿的瞬心，其瞬心就在回轉(zhuǎn)副上。Pec在上一段已經(jīng)分析過，同理Pbd在直線PabPad與PbcPcd的交點(diǎn)上。這樣就求出了直線PbcPce和直線PdePbd的交點(diǎn)Pbe，即瞬心Pbe。

根據(jù)此類方法可以求出其它11個(gè)狀態(tài)的膝關(guān)節(jié)瞬心。這就構(gòu)成了七軸膝關(guān)節(jié)瞬心軌跡，如圖4七軸膝關(guān)節(jié)瞬心軌跡。

5 結(jié)論

正常人膝關(guān)節(jié)在屈曲或伸展的過程中，兩關(guān)節(jié)面間既有滾動(dòng)又有滑動(dòng)。圖5中標(biāo)記為ICR的曲線即為正常膝關(guān)節(jié)瞬心軌跡[3]。通過對(duì)比我們可以發(fā)現(xiàn)，七軸膝關(guān)節(jié)瞬心軌跡與正常膝關(guān)節(jié)瞬心軌跡很接近，這就說明此七軸膝關(guān)節(jié)能很好的模擬正常人膝關(guān)節(jié)瞬心軌跡。

[1]張瑞紅.具有路況識(shí)別功能的智能膝上假肢系統(tǒng)的研究[D]:[博士學(xué)位論文].北京:清華大學(xué),2000.

[2]白師賢.高等機(jī)構(gòu)學(xué)[M].上?？茖W(xué)技術(shù)出版社,1998.

[3]楊敏.基于ADAMS二次開發(fā)的智能假肢膝關(guān)節(jié)仿真設(shè)計(jì)平臺(tái)的研究[D]:[碩士學(xué)位論文].北京:中國(guó)地質(zhì)大學(xué),2010.