主被动混合驱动的假肢膝关节设计及动力学仿真分析

• 作 者: 梁赟
• 出 处: 哈尔滨工业大学
• 发表日期: 2020年02期
• 关键词: 假肢膝关节 混合驱动 液压阻尼器 虚拟样机仿真

战争、疾病和交通事故以及自然灾害导致越来越多的人不得不进行肢体切除,尤其是切除膝关节,对患者日常行走造成了巨大的影响,合适的假肢能够帮助截肢者恢复正常行走功能,回归正常生活和工作之中。随着科学技术的进步和经济水平的提高,截肢者对假肢提出了新的要求,目前市场上的假肢产品已经不能满足人们的需求。本文根据以上情况设计了一款主被动混合驱动的假肢膝关节,用以帮助膝上截肢患者重新获得正常的行走能力。本文采用PhaseSpace三维运动捕捉系统采集健康人在平地前进、后退和上、下楼梯过程中的运动信息,通过数据处理获得下肢髋、膝、踝关节角度,分析人体不同行走模式下各关节的协调运动情况和步态的实现过程,从理论上指导假肢膝关节的设计。设计了一款主被动混合驱动的假肢膝关节,由直流电机提供驱动力矩,由液压阻尼系统提供阻力矩。确定了假肢结构内各主要杆件的尺寸。建立了人体下肢的运动学和动力学模型,求解膝关节力矩和功率,选取了直流电机的型号。阻尼力由流体从液压缸流经流道和节流阀产生的压力损失获得,设计了液压缸的各部分尺寸,根据对膝关节的最大阻力矩要求确定了流道直径。设计了一种旋转式结构的节流阀,研究了此节流阀过流面积的变化规律。利用仿真软件求解了液压阻尼系统节流阀全开状态下的输出阻尼力,表明所设计系统满足最大阻尼力要求。最后建立了液压阻尼系统输出阻尼力和运动速度与节流阀过流面积之间的数学模型。利用Solidworks建立了假肢穿戴者三维模型,并在ADAMS中完成了虚拟样机的建立,通过运动学仿真模拟人体在平地前进、后退和上、下楼梯的运动过程,求解理想步态下假肢膝关节在支撑期和摆动期的所需力矩。直流电机可提供符合要求的理想驱动力矩,液压阻尼系统在节流阀全开状态下依然输出阻尼力,即阻尼力矩不能无限小,与理想阻尼力矩并不吻合。将假肢膝关节实际获得的力矩曲线输入到穿戴者虚拟样机模型中,其余髋、踝等关节以理想运动曲线驱动,对比实际假肢膝关节角度和正常人行走过程膝关节角度的区别,验证所设计假肢的合理性。