机电系统分析大作业

一种主动智能矫形器的设计

专业：机械工程1309班

学号：1049721302830

老师：刘有源

姓名：夏文文

武汉理工大学

2014年6月

一种主动智能矫形器的设计

摘要：本文旨在设计出一种智能矫形器。首先，搭建整体的智能矫形器框架原理图，通过逐步分析各个模块来实现整体的设计。接着，将对矫形器的设计思路与方法进行具体的说明，以此进行具体的机构设计，以及这样设计与现今流行的矫形器相比较有什么优点。最后，论述了信息的控制机理和对控制系统的设计。关键词：智能；设计思路；控制机理；控制系统

1 引言

智能假肢是20世纪后10年发展起来的具有高性能的新一代假肢。与普通假肢相比，其主要功能特点是能根据外界条件变化和工作要求，自动调整假肢系统的参数，使其工作可靠，运动自如，具有更好的仿生性。本文主要研究下肢膝上假肢，膝关节是膝上假肢系统的核心部件，是保证截肢者能站立和行走的关键所在。由于膝关节是人体最主要的承重关节，它负重多且运动量大，是下肢活动的枢纽。随着对假肢性能要求的不断提高，下肢假肢不仅要满足能够站立和行走者两个基本功能，还要求步态自然，与健侧（健全下肢一侧）对称性好，能适应步行状态的变化。例如步行速度变化，路况（坡道，楼梯）的变化等；此外还要在使用者可能被障碍物绊倒的紧急情况下的保证安全等。这些功能是普通假肢无法实现的。

2 智能矫形器整体框架的构建

本文依据信息理论和智能控制理论，提出了人体和假肢结合的新型下肢假肢控制方案。如图1所示，该方案由两个重要部分组成，一是控制机理的研究，主要实现生物信息到物理控制信息的转换，为假肢的控制提供依据。二是假肢中的控制系统的研究，主要实现假肢的运动控制，将机器人设计（关节与灵巧机构）与控制技术（协调控制、姿态步态规划和伺服控制）移植到下肢假肢的研制上。

图1 智能矫形器总体设计框架

3 矫形器的设计

3.1 矫形器的材料

用于制作矫形器的材料包括金属、皮革、橡胶、纤维等五大类，每一类又可分为若干品种。例如金属材料包括：钢材、铝合金、钛合金。近年来随着各种新

型材料的不断出现，促进了矫形器的结构、外观、重量、耐久性以及作用力的分布等方面较大的改进。而一些传统材料，如钢材、皮革等仍被广泛使用，在多数情况下，一具矫形器由数种材料组成。不同的材料适用于不同的部位。

3.2 矫形器的设计思路与方法

本文提出通过机构设计，将膝关节以上部分的负载直接传递给膝关节以下部分，由机构和膝关节共同承担载荷来实现对膝关节免载的新思路，如图2所示。一般膝关节矫形器由大腿托、小腿托及两者的连接机构组成。为实现上述新方法，本文将膝关节矢状面的伸展运动转化成大腿托向上直线运动的连接机构，以与小腿固结的矫形器小腿托作为受力支点，在下肢伸展时可将膝关节上部向上牵拉，达到对膝关节的免载目的，如图3所示。由于机构动力来自下肢的屈伸运动，最后也作用于下肢，必须考虑膝关节的解剖结构和运动特性，具体分析机构对膝关节屈伸的影响。

图2 膝关节整体免荷思路图3 膝关节整体免荷方案3.3 具体方法的设计与分析

如图4是人体平地行走时的一个步态周期姿势。人体最大屈曲角度能达130°~150°，在非工作角度，矫形器机构对膝关节免荷反而会阻碍膝关节的正常屈曲运动，增加额外能耗。因此，在设计膝关节免荷矫形器时，即要求矫形器机构在膝关节工作角度对膝关节进行免载，特别是减小胫骨、股骨的峰值压力，还要求在非工作角度，尽量减小其对膝关节屈伸的影响。

图4 人体平地行走时的一个步态周期的姿势

如图5所示是设计机构的原理图。整个机构由与大腿、小腿绑接的夹板2、

夹板7、大腿托1、推杆3、主动槽轮4、从动槽轮5、传动销轴6等组成。主动槽轮夹在两个从动槽轮中间，其槽径比从动槽轮略大，通过主轴连接在小腿夹板上。传动销轴穿过三者的槽孔，其做成中间粗，两端细的阶梯轴，分别和主动槽轮，从动槽轮的曲线槽配合，这样传动轴通过从动槽轮的内壁进行轴向限位。传动轴的两端与小腿夹板的直槽配合。传动轴直径较大的轴段可配上轴套，可减小传动轴与主动槽轮壁的摩擦。当膝关节屈曲大于90°时，主动槽轮4和从动槽轮5的轮廓中心线完全重合，两者与大腿同方向转动。当膝关节小于90°伸展时，两者的轮廓中心线交叉相交，此时主动槽轮4随着大腿逆时针转动，并通过传动销轴6和特殊的槽轮结构使从动槽轮5反向转动。在此过程中与从动槽轮5连接的推杆3将带动大腿托上移，使膝关节免载变成可能。因此在这个过程中，大腿是动力源，带动大腿夹板及与其固结的主动槽轮转动，通过传动销轴带动从动槽轮反向转动，并在推杆的作用下推动大腿夹板及大腿托向上直线运动，最后又作用于大腿，形成封闭的力传递过程，同时也将运动从转动变为扩大行程的直线移动。

图5 矫形器机构原理图

根据以上的分析，机构整个运动过程可分为大于90°的非工作区间和小于90°的工作区间。其运动和功能实现的关键部分是实现主动槽轮和从动槽轮反转的力传递机制以及大腿托与大腿作用的变化过程，因此需从这两个方面加以分析。

如图6所示，F1、f1指主动槽轮槽壁所受压力、摩擦力，F2、f2指从动槽轮槽壁所受的压力、摩擦力，L1、L2、l1、l2分别是主动槽轮、从动槽轮相应的压力和摩擦力力臂的长度，由摩擦力定义可知，f1、f2远小于F1、F2，因此力矩传递主要由F1、F2及其力矩完成。在此区间，膝关节伸展时，主动槽轮和从动槽轮顺时针同向转动，推杆行程一直为零，因为没有负载，F1，f1，F2，f2值很小，产生的阻力矩也很小，而传动轴在主动槽轮，从动槽轮，夹板滑槽的压力和摩擦力作用下保持平衡。这个阶段，大腿托在大腿上的行程为零，不会产生免载效果。

如图7所示，右图是传动销轴的受力示意图，其在主动槽轮，从动槽轮以及

小腿夹板压力、摩擦力作用下保持平衡。整个过程中，大腿转动带动主动槽轮，主动槽轮则带动传动销上升，传动销则挤压从动槽轮的槽壁，促使其逆时针转动。图中符号的命名与上图相同，设 M 1 为主动槽轮顺时针转动所受到的阻力矩，M 2 为从动槽轮所受到的动力矩，由以下公式表示：

111

11M FxL f xl =+ 22222M F xL f xl =+

图6 屈伸角度大于90°时受力图 图7 屈曲90°伸展至0°时受力图 由结构的对称性可知，L 1=L 2，l 1与 l 2之差为传动销的直径。因为传递的力矩是由负载决定，增大 L 1、L 2的力臂长度有利于减小 F 1、F 2、f 1、f 2，提高机构的传递效率，减小轴向的不平衡转矩以及槽壁的磨损程度，因此，曲线槽形状的选用是需要着重考虑的，即在相同的尺寸内（槽轮直径），选用力臂长度较大的曲线槽形状。

该方案充分利用厚度方向的空间，通过特殊设计的槽轮机构将膝关节的屈伸运动变成扩大行程的直线运动，因此，能在较小的平面尺寸内获得较大的位移。并且机构在膝关节小于90°屈伸的工作区间发挥作用，而在大于90°时则不产生牵拉的行程，减小机构对下肢大角度屈伸的影响。另外，膝关节直立时，推杆与下肢关节轴线平行，机构处于力学死点的稳态位置，有助于维持膝关节稳定。该方案相比现在社会上矫形器的产品优势更为明显。

4 控制机理与控制系统

4.1 肌电信号的采集

在肌电信号的采集方面存在一个重要的问题，即信号的有效性。采集正确有效的信号是进行有效控制的前提和基础。国内有研究提出了一种基于虚拟仪器的肌电信号采集方案，利用传统的肌电图仪、高性能数据采集卡和美国国家仪器公司Lbaview 软件的丰富组件开发了一套肌电信号采集系统。新的采集系统能够实时的采集，数字化，显示常规肌电图，可以对所采集的信号进行实时的处理和分析，具有开发容易、功能完备、易于升级、适用范围广的特点。

4.2 生物信息转化为控制信息

肌电控制假肢一般通过对残肢的表面肌电信号进行处理，得到控制信号。国内主要是清华大学采用肌电信号作为信息源，通过对实测肌电信号的分析处理，来实现对路况(平地、上下坡、上下楼梯)的识别，从而改变膝力矩的模式。此外，通过下肢肌骨模型的建模，研究肌肉在下肢步行运动中的作用，从而指导肌电信号的提取。金德文等2000年提出，当行走在不同的地形时，膝盖活动存在着相当大的差异，为了适应变化的环境，假肢应该使膝盖能够识别地形环境。他们利用肌电信号进行地形识别，实现基于EMG 地形辨识的智能膝上假肢。实验结果