主被動混合驅(qū)動的假腳-踝關(guān)節(jié)系統(tǒng)研究.pdf

1、踝關(guān)節(jié)假肢是幫助膝下截肢患者恢復(fù)踝關(guān)節(jié)運動的一種替代型工具。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，截肢患者已不再滿足傳統(tǒng)踝關(guān)節(jié)假肢的基本行走功能。在當(dāng)今假肢設(shè)計領(lǐng)域里，能夠設(shè)計出實現(xiàn)行走更加貼近正常人的步態(tài)軌跡且更加舒適的假肢成為截肢患者的迫切需要。本文根據(jù)正常人體踝關(guān)節(jié)平地行走的各步態(tài)相位的特點，旨在設(shè)計出能夠幫助殘疾人恢復(fù)行走能力，像正常人一樣生活、學(xué)習(xí)和工作的踝關(guān)節(jié)假肢，具有很重要的社會意義和學(xué)術(shù)價值。本文主要針對下幾點展開研究：<

2、br>　　(1)人體踝關(guān)節(jié)生物力學(xué)特性研究。具體闡述了人體踝關(guān)節(jié)在平地行走的各步態(tài)相位特征，對踝關(guān)節(jié)各參數(shù)數(shù)據(jù)曲線進(jìn)行了運動學(xué)分析和生物力學(xué)分析，得到了踝關(guān)節(jié)平地行走的基本特征、生物力學(xué)特性以及人體正常行走的踝關(guān)節(jié)扭矩特性曲線，具體分析了一個步態(tài)周期各相位階段踝關(guān)節(jié)扭矩和角度之間的關(guān)系，為主被動假腳-踝關(guān)節(jié)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計以及動力學(xué)仿真提供了依據(jù)。
　　(2)假腳-踝關(guān)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計。根據(jù)正常人體平地上行走的扭矩特性曲線，提出了假腳-

3、踝關(guān)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計思想以及總體構(gòu)型，對其中部分關(guān)鍵機(jī)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模和計算分析，并且對關(guān)鍵零件參數(shù)進(jìn)行了計算驗證，完成了一體化假腳-踝關(guān)節(jié)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，說明了一個步態(tài)周期中一體化假腳-踝關(guān)節(jié)系統(tǒng)基本工作原理，分析了各相位步態(tài)中的能量儲存和釋放過程，驗證了前面提出的假腳-踝關(guān)節(jié)系統(tǒng)總體構(gòu)型的設(shè)計思想。
　　(3)假腳-踝關(guān)節(jié)系統(tǒng)的動力學(xué)仿真與優(yōu)化。建立了假腳-踝關(guān)節(jié)系統(tǒng)的仿真模型，并運用ADAMS仿真軟件進(jìn)行了動力學(xué)分析和參數(shù)優(yōu)化，得

4、到了最佳的彈簧和扭簧剛度，彈簧兩端位置以及電機(jī)扭簧聯(lián)合驅(qū)動力矩等參數(shù)，根據(jù)能量分析結(jié)果對比，說明了假腳具有與人體踝關(guān)節(jié)相近的力學(xué)特性，而且還能實現(xiàn)能量的回收利用，能耗低，同時也驗證了建模以及分析方法的正確性。
　　最后，完成了控制系統(tǒng)軟件編寫和硬件搭建，制定了實驗方案，通過機(jī)器人夾持假肢行走得到了實際踝關(guān)節(jié)角度曲線，對實驗測得的假腳的踝關(guān)節(jié)角度曲線和理論的角度曲線進(jìn)行對比分析。實驗研究表明，使用的仿真方法是正確的，所設(shè)計的主被動混