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基本信息
- 項目名稱：
- 一種助力仿生膝關(guān)節(jié)
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 首先，將現(xiàn)有康復(fù)工程中假肢膝關(guān)節(jié)的四軸雙搖桿機構(gòu)的結(jié)構(gòu)改進，使之適用于外骨骼助力機器人的結(jié)構(gòu)特點，并利用多軸膝關(guān)節(jié)機構(gòu)的自鎖功能提升行走時的穩(wěn)定性。其次，利用人類行走時膝關(guān)節(jié)的自然擺動與支撐特點，研究該類膝關(guān)節(jié)的電機驅(qū)動控制算法，降低所需的驅(qū)動功率與能量消耗。
- 詳細介紹：
- 本文通過理論研究與計算機仿真，設(shè)計了一種應(yīng)用于助力外骨骼機器人的仿生膝關(guān)節(jié)。主要工作是：首先，將康復(fù)工程中假肢膝關(guān)節(jié)的四軸雙搖桿機構(gòu)的結(jié)構(gòu)改進，并利用多軸膝關(guān)節(jié)機構(gòu)的自鎖功能提升正常人行走時的穩(wěn)定性。其次，使用小功率直流伺服電機作為四桿曲柄搖桿機構(gòu)的驅(qū)動裝置，驅(qū)動雙搖桿機構(gòu)的主動搖桿，并對該曲柄搖桿機構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，使之能充分利用伺服電機的力矩輸出能力，為老人、殘疾人等人的行走提供輔助動力。其次，對行走機器人擺動腿和支撐腿的運動進行規(guī)劃。為了實現(xiàn)機器人的運動控制和步態(tài)規(guī)劃，在對該類機器人的運動學(xué)和動力學(xué)問題進行研究的基礎(chǔ)上,分別對帶有四連桿膝關(guān)節(jié)的單腿運動進行運動學(xué)和動力學(xué)建模。最后，建立了該機器人在斜面上行走的三維動力學(xué)仿真模型，進行了數(shù)值仿真研究，并和以往單軸膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的雙足機器人進行對比。結(jié)果表明，具有四連桿多軸膝關(guān)節(jié)機構(gòu)的雙足機器人能在斜面上進行平穩(wěn)步行，并且步態(tài)更流暢、自然和擬人。研究結(jié)果有助于深入理解人類步行的自然動力學(xué)特性，為新型外骨骼助力機器人的研究提供了計算依據(jù)，也為改進和提高雙足步行機器人的動態(tài)性能提供了借鑒意義。
作品專業(yè)信息
設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 設(shè)計一種面向助力行走的價格低廉的動力仿生膝關(guān)節(jié)。應(yīng)用物理學(xué)基本理論和數(shù)值分析方法，利用計算機輔助設(shè)計和數(shù)值仿真等現(xiàn)代手段，將假肢膝關(guān)節(jié)四軸雙搖桿機構(gòu)的結(jié)構(gòu)改進并應(yīng)用于外骨骼助力機器人中，代替原來常用的兩桿單軸轉(zhuǎn)動膝關(guān)節(jié)，以利用多軸機構(gòu)的自鎖功能提升行走時的穩(wěn)定性，利用人類行走時膝關(guān)節(jié)的自然擺動與支撐特點，降低行走時所需的驅(qū)動功率與能量消耗。該機構(gòu)自鎖角度與人類生理膝關(guān)節(jié)相似，為165°-185°。
科學(xué)性、先進性
- 現(xiàn)有外骨骼助力行走裝置的膝關(guān)節(jié)設(shè)計中存在兩個不足：一是所用的伺服電機功率較大，雖然性能高，但系統(tǒng)本身體積與重量都較大，價格昂貴，難以推廣使用。二是盡管使用的兩桿單轉(zhuǎn)動軸具有結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、成本低廉等優(yōu)點，卻不具有人類膝關(guān)節(jié)的復(fù)合運動功能，難以和人類膝關(guān)節(jié)一起完美協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)動，可能對人類生理膝關(guān)節(jié)造成某種傷害。而我們所設(shè)計的這種助力仿生膝關(guān)節(jié)能使用較小功率的直流伺服電機，和人腿肌肉配合一起驅(qū)動人體生理膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動，以達到減輕系統(tǒng)重量和體積，降低系統(tǒng)造價的目的，又能高度重現(xiàn)人腿生理膝關(guān)節(jié)的復(fù)合運動、與其非常完美協(xié)調(diào)運動，以減少或降低助力膝關(guān)節(jié)對生理膝關(guān)節(jié)的可能傷害。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 尚未參加任何評審、鑒定、評比、展示等活動。
作品所處階段
- 實驗室階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 擬先申報專利，取得專利授權(quán)后進行專利轉(zhuǎn)讓
作品可展示的形式
- 圖紙
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預(yù)測
- 該膝關(guān)節(jié)伺服電機控制器使用嵌入式控制系統(tǒng)，以直流可充電電池為電源，伺服放大器作為驅(qū)動電路。使用時只需固定附著在人類生理膝關(guān)節(jié)外側(cè)即可，簡單、輕便?？梢院拖鄳?yīng)的髖關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)一起使用,用做老年人外骨骼助力行走器，進行上下樓梯（臺階）、上下坡和戶外活動。隨著人類正逐步進入老齡化社會，助力行走裝置市場巨大，具有可觀的推廣前景和經(jīng)濟效益，社會效益顯著，也可在高性能仿人行走機器人中使用。
同類課題研究水平概述
- 研究背景與狀態(tài) 為解決老年人與病人護理、腿部殘疾人士的行走困難，減輕人類在裝配操作、災(zāi)難救援等工作中需要經(jīng)常轉(zhuǎn)換站立和下蹲姿態(tài)而出現(xiàn)的疲勞現(xiàn)象，近年來國內(nèi)外研制開發(fā)了不少可穿戴的具有助力行走功能的外骨骼機器人。如由美國國防高級研究計劃局(DARPA)設(shè)計出伯克利?布里克外骨骼助力裝置，致力于幫助士兵、營救人員、消防員以及其他所有應(yīng)急人員輕松攜帶各種裝備。日本研制第五代外骨骼系統(tǒng)HAL - 5目的則是對肌肉萎縮或腦或脊髓功能損傷的人們在無人力援助的情況下進行協(xié)助。 存在問題與不足 然而，這些外骨骼助力行走裝置的膝關(guān)節(jié)設(shè)計中存在兩個不足：一是所用的伺服電機功率較大，雖然性能高，但造成助力行走系統(tǒng)本身體積與重量都較大，價格昂貴，難以推廣使用。二是使用的單轉(zhuǎn)動軸盡管具有結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、成本低廉等優(yōu)點，卻不具有人類膝關(guān)節(jié)的復(fù)合運動功能，難以和人類膝關(guān)節(jié)一起完美協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)動，可能對人類生理膝關(guān)節(jié)造成某種傷害。 在康復(fù)醫(yī)學(xué)工程中，近年來國內(nèi)外眾多科學(xué)家、工程師和醫(yī)務(wù)工作者進行了許多研究，在研究人體生理膝關(guān)節(jié)復(fù)合運動的基礎(chǔ)上設(shè)計出來不少具有可變瞬時轉(zhuǎn)動中心的仿生膝關(guān)節(jié)機構(gòu)，以確保了大腿假肢的支撐期穩(wěn)定性。如使用4、5或者7桿機構(gòu)代替2桿機構(gòu)作為假肢膝關(guān)節(jié)，能利用機構(gòu)瞬停節(jié)自鎖實現(xiàn)穩(wěn)定性，使得患者在足跟著地時能保持穩(wěn)定，在離地時，殘肢較小的力量就能使關(guān)節(jié)屈曲。坐下時也不會在外觀上發(fā)生問題。通常這種關(guān)節(jié)在膝關(guān)節(jié)中應(yīng)用最多的就是四連桿結(jié)構(gòu)，隨科技的發(fā)展，德林的五連桿機構(gòu)及奧索的七連桿結(jié)構(gòu)關(guān)節(jié)也相繼問世。 然而，在目前的多軸膝關(guān)節(jié)假肢產(chǎn)品中，一方面，由于主動驅(qū)動系統(tǒng)造價昂貴，大都使用了被動驅(qū)動方案，因而不具有和人類生理膝關(guān)節(jié)的運動進行完美協(xié)調(diào)的功能；另一方面，現(xiàn)有膝關(guān)節(jié)多桿轉(zhuǎn)動機構(gòu)的結(jié)構(gòu)是針對義肢應(yīng)用的要求設(shè)計的，不適宜在其他人類助力行走裝置中直接應(yīng)用。
