七軸假肢膝關節瞬心位置的研究

李 寧,郭明恩,王 彬,曹宇宸

（煙臺大學機電汽車工程學院,山東 煙臺 264005）

1 引言

目前我國假肢產品大部分性能不佳，質量不高，與世界先進水平差距很大。研制出高性能先進的假肢，打破國外壟斷現狀，提高我國殘疾人的生活質量迫在眉睫。七軸六桿式假肢膝關節不僅有時變的瞬心，而且可以根據需要調節，對截肢者的適應性更好[1]。奧索公司的拓托七軸幾何鎖膝關節，是一款代表業內多軸膝關節設計標準的膝關節，這款膝關節體積和重量都不大，適合各種不同步速行走、活動不受限的社區范圍步行者。

2 主要結構分析

該膝關節是一個六桿機構，如圖1假肢膝關節結構簡圖。

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

3 建模及仿真

通過對該膝關節的結構分析，我們運用UG對其進行了三維建模，模型如圖2所示。模型建好后導入Adams 進行運動仿真，設AB桿為固定副，ABCDEFG七個軸設為轉動副，A軸為驅動軸，轉動角速度為5.0d。每轉動10度自動保存一次運動狀態，共保存了12個狀態。

4 瞬心求解

現以轉到10度為例介紹該膝關節瞬心求解過程。該膝關節為典型的六桿機構，對于六桿機構的瞬心求解，我們可以運用高等機構學[2]中的方法求解。把運動鏈簡圖轉化成它的變換圖，即把構件用點表示，把兩構件之間的回轉副用兩點連線表示。圖1所示連桿機構可以表示成圖3（1）所示。圖3（2）中點代表構件，那么點與點之間的連線代表兩構件之間的回轉副。7條實線代表7個真實的回轉副，也代表相連兩構件之間的瞬心。其余4條虛線代表不直接相連兩個構件假想的回轉副，同時也代表這兩個構件之間的瞬心。總之，圖3（2）中任意一個三角形的任意三個邊，都代表兩頂點（構件）之間的瞬心，有三心定理可知，它們應在同一直線上。由此定理可推知，圖3（2）中任意一個四邊形各邊的瞬心已知時，其對角線的瞬心可求。例如圖3（2）、（3）中當四邊形cdef各邊的瞬心Pcd、Pde、Pef、Pcf已知時，對角線的瞬心Pce、Pdf可求，因為在三角形cef中，Pce應該在直線PcfPef上，在三角形cfe中，Pce應在直線PcdPde上，那么兩直線交點就是Pec。同理Pdf應在直線PcdPcf和直線PdePef的交點上。

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

根據此類方法可以求出其它11個狀態的膝關節瞬心。這就構成了七軸膝關節瞬心軌跡，如圖4七軸膝關節瞬心軌跡。

5 結論

正常人膝關節在屈曲或伸展的過程中，兩關節面間既有滾動又有滑動。圖5中標記為ICR的曲線即為正常膝關節瞬心軌跡[3]。通過對比我們可以發現，七軸膝關節瞬心軌跡與正常膝關節瞬心軌跡很接近，這就說明此七軸膝關節能很好的模擬正常人膝關節瞬心軌跡。

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

[2]白師賢.高等機構學[M].上海科學技術出版社,1998.

[3]楊敏.基于ADAMS二次開發的智能假肢膝關節仿真設計平臺的研究[D]:[碩士學位論文].北京:中國地質大學,2010.