仿生膝关节优化算法思考范文

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《电子设计工程杂志》2014年第十一期

1关节结构分析

出于简化模型的需要，将膝关节简化为一个旋转自由度的机构，当腿部做伸展运动时，股四头肌产生了伸展运动。以人体重心为观测中心，以下肢为例，距离人体重心越远的肢体部分，步行或者跑步时相对转动角度越大。为了简化分析，假设仿生关节股骨部分静止，胫骨绕旋转中心做旋转运动。由于仿生髌骨做滑动运动，不产生主动力，故将模型分为两部分分析：第一部分包括股骨、髌骨以及连接股骨与髌骨的肌肉，假设股骨部分静止，肌肉收缩，带动髌骨运动；第二部分包括髌骨、胫骨以及连接髌骨与胫骨之间肌肉，假设髌骨静止，肌肉收缩，带动胫骨运动，因此可以将膝关节简化为两套曲柄摇杆机构，图1（c）为其简的化机械结构。人体关节的伸展结构见图1（a）所示，图1（b）为其简化的数学结构，图1（d）为优化前的关节结构。图中：l1-股骨肌肉附着点在股骨轴上投影到膝关节转动中心的距离；l2-膝关节旋转中心与髌骨两处肌肉附着点连线交点的距离；l3-胫骨肌肉附着点在胫骨轴上投影到转动中心的距离；h1-股骨肌肉附着点到股骨轴距离；h2-髌骨肌肉（与股骨连接的肌肉）附着点到交点的距离；h3-髌骨肌肉（与胫骨连接的肌肉）附着点到交点的距离；h4-胫骨肌肉附着点到胫骨轴距离；其中Φ为膝关节股骨与胫骨夹角锐角部分，为关节运动角。

2仿生关节优化数学模型的建立

人体膝关节运动范围[6-7]，是指从全收缩模式到全舒张模式的角度范围准，93°是一个行走运动需要的基本要求；106°是一个下蹲需要的角度；135~145°是关节可以达到的最大范围。传动角是从动件和连接从动件的传动件之间的夹角，是衡量有效力传递的一个重要指标。而仿生关节包含了两个传动角，为双目标优化函数，通过引入权重将双目标函数简化模型为单目标函数，目标函数.

3优化设计算例

由于仿生关节用于不同用途，其关节运动范围不同，这里通过人体步行为例，对于本文研究的仿生膝关节传动角优化方法进行说明。分析人体步态情况时，假设人在步行时膝关节运动范围为（准min，准max）。从参考文献[9]实验获得的力矩曲线中可得仿生膝关节扭矩的峰值与关节夹角的关系，利用这一关系以及设计空间限制对尺寸进行矫正，从而在满足设计要求范围内，使得目标函数取得最优值。从人体运动分析曲线[7]可知，人体运动时关节运动的角度范围为准min=64°，准max=184°。本算例仿生关节初始设计参数为h1=30，l1=250，h2=15，l2=50，h3=15，l3=250，h4=30，传动角在这一条件下的最小值为32与15。用人体膝关节扭矩的峰值与角度的关系及本项目的设计尺寸要求，参考文献[8]的算法对关节步行运动进行优化。优化后参数为h1=82.1，l1=225.5，h2=27.4，l2=75.2，h3=27.4，l3=40，h4=9.1，目标函数最优值为120，传动角的最小值为60与60。图2为优化后的仿生关节结构。

4结束语

本文对于仿生机构的设计，可以满足运动姿态等需要的机械结构模式很多，在初期结构设计阶段，选择一种有效力传动性能高的机械设计模式，对整个系统性能提升十分有益。本文针对仿生膝关节提出了基于传动角最优的机构多参数优化设计方法，可以获得优良的仿生膝关节传动性能，本文机械结构优化的结果与人体膝关节结构比例一致。本方法可以广泛运用于各类仿生关节机构（如：肩关节，髋关节等）设计中。

作者：陈垚单位：西北工业大学机电学院商洛学院计算机科学系陕西省尾矿资源综合利用实验室