多轴人工膝关节的设计与研究

论文摘要

下肢假肢设计中,人工膝关节的设计是重中之重,不但因为它的功能与结构最为复杂,而且因为它对整个人工下肢的运动性能影响最大。目前国外具有的假肢设计水平很高,国外的大公司已经有多款性能优秀的产品投入使用,并逐渐出现垄断的趋势。而我国对下肢假肢开发设计的研究较少,技术水平与国外差距很大,各地的假肢厂多无设计开发现代下肢假肢的能力,因为这个原因,我国残疾人只能选择购买昂贵的国外产品。因此,设计出具有自主知识产权的下肢假肢,具有重要的现实意义和社会意义。要想研制出性能优良的人工膝关节,需要人们做大量的工作,其中结构设计的工作是至关重要的,它是集思考、绘图、计算于一体的设计过程,对整个设计的成败起着举足轻重的作用。但是,由于种种原因,国内还缺乏关于人工膝关节结构的较为完整的设计研究工作。针对这个问题,本文提出了一个较为完整的设计过程。本文首先分析了人行走的运动特征,并从中得出了对人工膝关节的功能要求。其次,对人工膝关节的选型方案进行了比较论证。在拟定方案后,对人工腿进行了运动学与动力学分析。之后,在PRO/E环境下对人工膝关节进行了具体的结构设计,最后在ADAMS环境下对人工膝关节进行了动态仿真,分析了阻尼与助伸力等参数对人工腿运动情况的影响,并探讨了人工膝关节的一种智能控制方案。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 第2章 下肢假肢的分类
• 2.1 传统下肢假肢的分类
• 2.2 传统假肢与智能假肢
• 第3章 人体步态分析
• 3.1 人体步态分析概述
• 3.2 人体步态的统一性与多样性
• 3.3 下肢假肢的站立相与摆动相分析
• 3.3.1 站立相与摆动相的定义
• 3.3.2 摆动相时下肢假肢应具有的一些运动学特点
• 3.4 摆动相时膝盖的生理结构与特点
• 第4章 膝关节结构选型
• 4.1 人工膝关节的综合功能要求
• 4.2 人工膝关节选型
• 4.2.1 人工膝关节运动功能模块
• 4.2.2 人工膝关节锁止功能模块
• 4.2.3 人工膝关节摆动期的控制模块
• 4.2.4 辅助伸展功能模块
• 4.2.5 缓冲减震功能模块
• 4.2.6 限位功能模块
• 第5章 人工膝关节的运动学分析
• 5.1 人工膝关节主结构运动分析的目的
• 5.2 主结构尺寸参数的确定
• 5.3 人工膝关节运动分析的具体过程
• 第6章 人工膝关节的动力学分析
• 6.1 动力学分析的意义和步骤
• 6.2 常用的动力学建模方法
• 6.3 典型的下肢简化模型
• 6.4 承重期的动力学分析
• 6.5 离地摆动时的动力学分析
• 6.6 气压缸与液压缸的输出力矩
• 第7章 三维模型的建立与装配
• 7.1 Pro/E软件的简介
• 7.2 三维装配模型及其分解视图
• 7.3 三维模型的设计过程
• 7.3.1 总体尺寸的确立
• 7.3.2 运动功能的设计
• 7.3.3 锁止机构（上连杆组件）的设计
• 7.3.4 辅助伸展机构的设计
• 7.3.5 限位与缓冲措施
• 7.3.6 气/液压阻尼器的设计
• 7.4 坐姿腿长的设计
• 第8章 多轴人工膝关节的动态仿真
• 8.1 ADAMS软件介绍
• 8.2 导入模型
• 8.3 人工下肢的自由摆动与二级摆模型
• 8.3.1 无控制力矩的小腿模型的仿真过程
• 8.3.2 不受控腿运动的分析结论
• 8.4 装有多轴膝的假腿的动态仿真
• 8.4.1 设定迈步初始条件
• 8.4.2 多轴膝腿的仿真过程
• 8.4.3 测量结果
• 8.4.4 其他的仿真结论
• 第9章 结论与展望
• 9.1 本次设计的新颖之处
• 9.2 本次设计的不足之处
• 9.3 今后的工作与展望
• 参考文献
• 致谢