基本信息
- 项目名称：
- 一种助力仿生膝关节
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 首先，将现有康复工程中假肢膝关节的四轴双摇杆机构的结构改进，使之适用于外骨骼助力机器人的结构特点，并利用多轴膝关节机构的自锁功能提升行走时的稳定性。其次，利用人类行走时膝关节的自然摆动与支撑特点，研究该类膝关节的电机驱动控制算法，降低所需的驱动功率与能量消耗。
- 详细介绍：
- 本文通过理论研究与计算机仿真，设计了一种应用于助力外骨骼机器人的仿生膝关节。主要工作是：首先，将康复工程中假肢膝关节的四轴双摇杆机构的结构改进，并利用多轴膝关节机构的自锁功能提升正常人行走时的稳定性。其次，使用小功率直流伺服电机作为四杆曲柄摇杆机构的驱动装置，驱动双摇杆机构的主动摇杆，并对该曲柄摇杆机构进行优化设计，使之能充分利用伺服电机的力矩输出能力，为老人、残疾人等人的行走提供辅助动力。其次，对行走机器人摆动腿和支撑腿的运动进行规划。为了实现机器人的运动控制和步态规划，在对该类机器人的运动学和动力学问题进行研究的基础上,分别对带有四连杆膝关节的单腿运动进行运动学和动力学建模。最后，建立了该机器人在斜面上行走的三维动力学仿真模型，进行了数值仿真研究，并和以往单轴膝关节结构的双足机器人进行对比。结果表明，具有四连杆多轴膝关节机构的双足机器人能在斜面上进行平稳步行，并且步态更流畅、自然和拟人。研究结果有助于深入理解人类步行的自然动力学特性，为新型外骨骼助力机器人的研究提供了计算依据，也为改进和提高双足步行机器人的动态性能提供了借鉴意义。
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 设计一种面向助力行走的价格低廉的动力仿生膝关节。应用物理学基本理论和数值分析方法，利用计算机辅助设计和数值仿真等现代手段，将假肢膝关节四轴双摇杆机构的结构改进并应用于外骨骼助力机器人中，代替原来常用的两杆单轴转动膝关节，以利用多轴机构的自锁功能提升行走时的稳定性，利用人类行走时膝关节的自然摆动与支撑特点，降低行走时所需的驱动功率与能量消耗。该机构自锁角度与人类生理膝关节相似，为165°-185°。
科学性、先进性
- 现有外骨骼助力行走装置的膝关节设计中存在两个不足：一是所用的伺服电机功率较大，虽然性能高，但系统本身体积与重量都较大，价格昂贵，难以推广使用。二是尽管使用的两杆单转动轴具有结构简单、制造容易、成本低廉等优点，却不具有人类膝关节的复合运动功能，难以和人类膝关节一起完美协调转动，可能对人类生理膝关节造成某种伤害。而我们所设计的这种助力仿生膝关节能使用较小功率的直流伺服电机，和人腿肌肉配合一起驱动人体生理膝关节转动，以达到减轻系统重量和体积，降低系统造价的目的，又能高度重现人腿生理膝关节的复合运动、与其非常完美协调运动，以减少或降低助力膝关节对生理膝关节的可能伤害。
获奖情况及鉴定结果
- 尚未参加任何评审、鉴定、评比、展示等活动。
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 拟先申报专利，取得专利授权后进行专利转让
作品可展示的形式
- 图纸
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 该膝关节伺服电机控制器使用嵌入式控制系统，以直流可充电电池为电源，伺服放大器作为驱动电路。使用时只需固定附着在人类生理膝关节外侧即可，简单、轻便。可以和相应的髋关节和踝关节一起使用,用做老年人外骨骼助力行走器，进行上下楼梯（台阶）、上下坡和户外活动。随着人类正逐步进入老龄化社会，助力行走装置市场巨大，具有可观的推广前景和经济效益，社会效益显著，也可在高性能仿人行走机器人中使用。
同类课题研究水平概述
- 研究背景与状态 为解决老年人与病人护理、腿部残疾人士的行走困难，减轻人类在装配操作、灾难救援等工作中需要经常转换站立和下蹲姿态而出现的疲劳现象，近年来国内外研制开发了不少可穿戴的具有助力行走功能的外骨骼机器人。如由美国国防高级研究计划局(DARPA)设计出伯克利•布里克外骨骼助力装置，致力于帮助士兵、营救人员、消防员以及其他所有应急人员轻松携带各种装备。日本研制第五代外骨骼系统HAL - 5目的则是对肌肉萎缩或脑或脊髓功能损伤的人们在无人力援助的情况下进行协助。 存在问题与不足 然而，这些外骨骼助力行走装置的膝关节设计中存在两个不足：一是所用的伺服电机功率较大，虽然性能高，但造成助力行走系统本身体积与重量都较大，价格昂贵，难以推广使用。二是使用的单转动轴尽管具有结构简单、制造容易、成本低廉等优点，却不具有人类膝关节的复合运动功能，难以和人类膝关节一起完美协调转动，可能对人类生理膝关节造成某种伤害。 在康复医学工程中，近年来国内外众多科学家、工程师和医务工作者进行了许多研究，在研究人体生理膝关节复合运动的基础上设计出来不少具有可变瞬时转动中心的仿生膝关节机构，以确保了大腿假肢的支撑期稳定性。如使用4、5或者7杆机构代替2杆机构作为假肢膝关节，能利用机构瞬停节自锁实现稳定性，使得患者在足跟着地时能保持稳定，在离地时，残肢较小的力量就能使关节屈曲。坐下时也不会在外观上发生问题。通常这种关节在膝关节中应用最多的就是四连杆结构，随科技的发展，德林的五连杆机构及奥索的七连杆结构关节也相继问世。 然而，在目前的多轴膝关节假肢产品中，一方面，由于主动驱动系统造价昂贵，大都使用了被动驱动方案，因而不具有和人类生理膝关节的运动进行完美协调的功能；另一方面，现有膝关节多杆转动机构的结构是针对义肢应用的要求设计的，不适宜在其他人类助力行走装置中直接应用。
