基于曲柄滑塊機(jī)構(gòu)膝關(guān)節(jié)減力裝置的設(shè)計(jì)

劉義杰 吳 健 周同德 袁 鵬 袁寅杰 劉宇康

（北京林業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，北京 100083）

膝關(guān)節(jié)構(gòu)造復(fù)雜、全身發(fā)病率高，對(duì)人體運(yùn)動(dòng)方式起著至關(guān)重要的作用，我國(guó)約有3%的人患有骨關(guān)節(jié)炎，膝骨關(guān)節(jié)炎占大部分比例[2]。目前對(duì)于適用于正常人日常行走膝關(guān)節(jié)減力機(jī)構(gòu)的研究較少。為解決該問(wèn)題，本文研究了基于曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的膝關(guān)節(jié)減力裝置。

1 膝關(guān)節(jié)減力裝置設(shè)計(jì)

膝關(guān)節(jié)減力裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。在人體步行時(shí)，直立階段和跨步階段兩個(gè)階段的快速切換會(huì)對(duì)膝關(guān)節(jié)造成沖擊振動(dòng)，膝關(guān)節(jié)減力裝置旨在減輕振動(dòng)并減少部分自身重量對(duì)于膝關(guān)節(jié)的壓力。仿生關(guān)節(jié)與人體膝關(guān)節(jié)同步運(yùn)作。彎曲時(shí)，力偏置片5隨柔性護(hù)膝9的小腿部抬起，關(guān)節(jié)板2的第一端翹起與油壓緩沖器4脫離；直立時(shí)，力偏置片5隨柔性護(hù)膝9的小腿部前伸，油壓緩沖器4抵靠關(guān)節(jié)板2的第一端，起到支撐的作用，減小對(duì)膝關(guān)節(jié)的損傷。

圖1 膝關(guān)節(jié)減力裝置結(jié)構(gòu)

2 運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)分析

2.1 膝關(guān)節(jié)減力裝置的數(shù)學(xué)模型

參照?qǐng)D1機(jī)構(gòu)圖，可將關(guān)節(jié)板2視為機(jī)架，固定于大腿部位，將限位封蓋8視為曲柄，可繞關(guān)節(jié)板轉(zhuǎn)動(dòng)，油壓緩沖器4的下端和力偏置片5固連，將其視為連桿，油壓緩沖器4的頭部為減振材料，可沿關(guān)節(jié)板2滑動(dòng)，將其視為滑塊。

基于復(fù)數(shù)矢量法，對(duì)曲柄滑塊膝關(guān)節(jié)減力機(jī)構(gòu)建立運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，如圖2所示。其包含關(guān)于ABC的閉環(huán)，在實(shí)際應(yīng)用中，油壓緩沖器4為執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

2.2 膝關(guān)節(jié)減力裝置的運(yùn)動(dòng)學(xué)求解

人體膝關(guān)節(jié)的限位角度區(qū)間為-75°～0°，因此取曲柄滑塊機(jī)構(gòu)模型中曲柄轉(zhuǎn)角為15°～90°，當(dāng)曲柄轉(zhuǎn)角處于90°時(shí)，恰為人體直立狀態(tài)。為使整體膝關(guān)節(jié)減力裝置尺寸適于穿戴，取限位封蓋8的可轉(zhuǎn)動(dòng)端長(zhǎng)度與油壓緩沖器4長(zhǎng)度相等，試取為長(zhǎng)度35mm，試取力偏置片長(zhǎng)度為40mm，即曲柄長(zhǎng)度l1=35mm，連桿長(zhǎng)度

圖2 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)模型

3 分析與優(yōu)化

3.1 曲柄長(zhǎng)度對(duì)膝關(guān)節(jié)減力裝置減力效果的影響

改變曲柄長(zhǎng)度，圖3為取力偏置片長(zhǎng)度為55mm時(shí)，分別取曲柄長(zhǎng)度為20mm、25mm、30mm、35mm時(shí)對(duì)應(yīng)的減力大小曲線。分析可知，曲柄長(zhǎng)度的改變對(duì)減力效果影響較小，在一定范圍內(nèi)，曲柄長(zhǎng)度的增長(zhǎng)會(huì)使減力幅度略有減小。

圖3 改變曲柄長(zhǎng)度的減力曲線

3.2 連桿長(zhǎng)度對(duì)膝關(guān)節(jié)減力裝置減力效果的影響

改變連桿長(zhǎng)度，圖4為取曲柄長(zhǎng)度為35mm時(shí)，分別取力偏置片長(zhǎng)度為40mm、45mm、50mm、55mm時(shí)對(duì)應(yīng)的減力大小曲線，連桿長(zhǎng)度為力偏置片和油壓緩沖器長(zhǎng)度的平方和的算術(shù)平方根，力偏置片長(zhǎng)度增加，連桿長(zhǎng)度增加。分析可知，連桿長(zhǎng)度主要影響減力曲線的位置，在一定范圍內(nèi)，連桿長(zhǎng)度的增長(zhǎng)會(huì)使減力的幅度減小。

圖4 改變力偏置片長(zhǎng)度的減力曲線

4 結(jié)論

本文提出一種基于曲柄滑塊機(jī)構(gòu)膝關(guān)節(jié)減力裝置。膝關(guān)節(jié)減力裝置的減力效果與曲柄和連桿的長(zhǎng)度密切相關(guān)，曲柄長(zhǎng)度的改變對(duì)于減力效果影響較小，連桿長(zhǎng)度的增長(zhǎng)會(huì)使減力的幅度減小。

[1]王東海.基于行走步態(tài)的被動(dòng)式重力支撐柔性下肢外骨骼系統(tǒng)[D].杭州：浙江大學(xué)，2016：1.

[2]王珺.外骨骼機(jī)器人下肢增力機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和仿真研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2016：25.