基本信息
- 項目名稱：
- 一種助力仿生膝關節(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)有康復工程中假肢膝關節(jié)的四軸雙搖桿機構的結構改進，使之適用于外骨骼助力機器人的結構特點，并利用多軸膝關節(jié)機構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節(jié)的自然擺動與支撐特點，研究該類膝關節(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，設計了一種應用于助力外骨骼機器人的仿生膝關節(jié)。主要工作是：首先，將康復工程中假肢膝關節(jié)的四軸雙搖桿機構的結構改進，并利用多軸膝關節(jié)機構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的驅(qū)動裝置，驅(qū)動雙搖桿機構的主動搖桿，并對該曲柄搖桿機構進行優(yōu)化設計，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和動力學問題進行研究的基礎上,分別對帶有四連桿膝關節(jié)的單腿運動進行運動學和動力學建模。最后，建立了該機器人在斜面上行走的三維動力學仿真模型，進行了數(shù)值仿真研究，并和以往單軸膝關節(jié)結構的雙足機器人進行對比。結果表明，具有四連桿多軸膝關節(jié)機構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。研究結果有助于深入理解人類步行的自然動力學特性，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
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術關鍵和主要技術指標
- 設計一種面向助力行走的價格低廉的動力仿生膝關節(jié)。應用物理學基本理論和數(shù)值分析方法，利用計算機輔助設計和數(shù)值仿真等現(xiàn)代手段，將假肢膝關節(jié)四軸雙搖桿機構的結構改進并應用于外骨骼助力機器人中，代替原來常用的兩桿單軸轉動膝關節(jié)，以利用多軸機構的自鎖功能提升行走時的穩(wěn)定性，利用人類行走時膝關節(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。該機構自鎖角度與人類生理膝關節(jié)相似，為165°-185°。
科學性、先進性
- 現(xiàn)有外骨骼助力行走裝置的膝關節(jié)設計中存在兩個不足：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動軸具有結構簡單、制造容易、成本低廉等優(yōu)點，卻不具有人類膝關節(jié)的復合運動功能，難以和人類膝關節(jié)一起完美協(xié)調(diào)轉動，可能對人類生理膝關節(jié)造成某種傷害。而我們所設計的這種助力仿生膝關節(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)動人體生理膝關節(jié)轉動，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)人腿生理膝關節(jié)的復合運動、與其非常完美協(xié)調(diào)運動，以減少或降低助力膝關節(jié)對生理膝關節(jié)的可能傷害。
獲獎情況及鑒定結果
- 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
技術轉讓方式
- 擬先申報專利，取得專利授權后進行專利轉讓
作品可展示的形式
- 圖紙
使用說明,技術特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預測
- 該膝關節(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節(jié)外側即可，簡單、輕便?？梢院拖鄳捏y關節(jié)和踝關節(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、災難救援等工作中需要經(jīng)常轉換站立和下蹲姿態(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節(jié)設計中存在兩個不足：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。二是使用的單轉動軸盡管具有結構簡單、制造容易、成本低廉等優(yōu)點，卻不具有人類膝關節(jié)的復合運動功能，難以和人類膝關節(jié)一起完美協(xié)調(diào)轉動，可能對人類生理膝關節(jié)造成某種傷害。 在康復醫(yī)學工程中，近年來國內(nèi)外眾多科學家、工程師和醫(yī)務工作者進行了許多研究，在研究人體生理膝關節(jié)復合運動的基礎上設計出來不少具有可變瞬時轉動中心的仿生膝關節(jié)機構，以確保了大腿假肢的支撐期穩(wěn)定性。如使用4、5或者7桿機構代替2桿機構作為假肢膝關節(jié)，能利用機構瞬停節(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節(jié)屈曲。坐下時也不會在外觀上發(fā)生問題。通常這種關節(jié)在膝關節(jié)中應用最多的就是四連桿結構，隨科技的發(fā)展，德林的五連桿機構及奧索的七連桿結構關節(jié)也相繼問世。 然而，在目前的多軸膝關節(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)有膝關節(jié)多桿轉動機構的結構是針對義肢應用的要求設計的，不適宜在其他人類助力行走裝置中直接應用。
