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六连杆假肢膝关节优化设计 |
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肢摆动情况可以看出，在一个步态周期过程中，小腿以膝关节为轴，相对于大腿按某规律转过一系列的位置。如果认为步行过程中股骨及胫骨、腓骨均无变形，则可以将大腿小腿分别简化为刚性构件。在步态周期中，小腿为相对于大腿占据一系列位置的刚体导引构件。小腿的下端踝关节运动轨迹为一连续曲线。因此，对于人体膝关节在一个步态周期中的模拟，可以归结为对于假肢膝关节机构运动学规律的设计和膝关节机构的动力学力矩控制两个方面。运动规律设计的目标则主要是小腿的刚体导引（即小腿相对于大腿的转角）和踝关节运动轨迹〔3〕。只有在膝关节机构运动学规律满足要求的条件下，才可能通过动力学的控制达到比较完美的仿生效果。本文主要讨论膝关节机构的运动学设计。
多轴膝关节是由连杆机构组成的。这是因为小腿的刚体导引为一般的平面运动，而连杆机构是具有这个条件的最简单的形式。最简单的连杆机构为铰链四连杆机构，但是四杆机构刚体轨迹仅能精确拟合5个点，而六杆机构杆件虽然比四杆机构多了两杆，却能拟合至9个点〔4〕，因此，我们选择了六杆机构。
在六杆膝关节设计中，由于对踝关节轨迹有要求，大小腿必须与不相邻的两杆固结。同时为了使大小腿的相对运动规律更多的和正常人的规律相拟合，在选择与大小腿固结的构件时，应尽量选择相隔最远的两构件。例如，在图1中，若将大腿与杆4固结（相当于机架），小腿与2固结，则该六杆机构能精确拟合的点数和四杆机构是相同的。若大腿与1杆相连，小腿与6杆相连，则该机构能精确拟合到9点。
2 六连杆膝关节的优化设计
2.1 优化原则
2.1.1 当髋关节按正常步态的轨迹运动时，踝关节的轨迹应最接近正常人踝关节轨迹。同时，六连杆膝关节中心尽可能接近正常人的膝关节中心运动轨迹。
考虑到假肢踝关节角度是固定的，而正常人的踝关节角度在步行过程中是变化的。踝关节的角度变化将增大摆动期脚尖的离地间隙。因此，在假肢设计中，将踝关节模拟的理想值设定为调整后的正常人的踝关节轨迹，以保证假肢摆动时有足够的离地间隙。
2.1.2 在摆动期，大腿和小腿的摆动规律和正常人的相一致。也就是说，如图2所示，JP与HI构件间的相对转角符合正常步态的摆动期运动规律。
图2 膝关节
2.1.3 当大小腿夹角为180°时，即支撑中期时，六杆机构处于自锁位置。此时EF和FG处于一直线上(图1)。通过对六杆机构自锁性分析可以知道，此时A、B、C、D铰链均为瞬停节，即构件1、2、3、4之间均不能相对转动，因此机构自锁，并有很好的抗干扰能力〔5〕。
图1 六杆机构假肢示意
2.2 目标函数
根据上述要求可建立目标函数：
其中Px、Py为由假肢系统求出的踝关节坐标。x、y为正常步态踝关节坐标。Kx、Ky为由假肢系统求出的膝关节坐标。x、y为正常步态膝关节坐标。C1、C2为权重系数，C1+C2=1。
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