基于曲柄滑塊機構膝關節減力裝置的設計

劉義杰 吳 健 周同德 袁 鵬 袁寅杰 劉宇康

（北京林業大學 工學院，北京 100083）

膝關節構造復雜、全身發病率高，對人體運動方式起著至關重要的作用，我國約有3%的人患有骨關節炎，膝骨關節炎占大部分比例[2]。目前對于適用于正常人日常行走膝關節減力機構的研究較少。為解決該問題，本文研究了基于曲柄滑塊機構的膝關節減力裝置。

1 膝關節減力裝置設計

膝關節減力裝置結構如圖1所示。在人體步行時，直立階段和跨步階段兩個階段的快速切換會對膝關節造成沖擊振動，膝關節減力裝置旨在減輕振動并減少部分自身重量對于膝關節的壓力。仿生關節與人體膝關節同步運作。彎曲時，力偏置片5隨柔性護膝9的小腿部抬起，關節板2的第一端翹起與油壓緩沖器4脫離；直立時，力偏置片5隨柔性護膝9的小腿部前伸，油壓緩沖器4抵靠關節板2的第一端，起到支撐的作用，減小對膝關節的損傷。

圖1 膝關節減力裝置結構

2 運動學與動力學分析

2.1 膝關節減力裝置的數學模型

參照圖1機構圖，可將關節板2視為機架，固定于大腿部位，將限位封蓋8視為曲柄，可繞關節板轉動，油壓緩沖器4的下端和力偏置片5固連，將其視為連桿，油壓緩沖器4的頭部為減振材料，可沿關節板2滑動，將其視為滑塊。

基于復數矢量法，對曲柄滑塊膝關節減力機構建立運動學模型，如圖2所示。其包含關于ABC的閉環，在實際應用中，油壓緩沖器4為執行機構。

2.2 膝關節減力裝置的運動學求解

人體膝關節的限位角度區間為-75°～0°，因此取曲柄滑塊機構模型中曲柄轉角為15°～90°，當曲柄轉角處于90°時，恰為人體直立狀態。為使整體膝關節減力裝置尺寸適于穿戴，取限位封蓋8的可轉動端長度與油壓緩沖器4長度相等，試取為長度35mm，試取力偏置片長度為40mm，即曲柄長度l1=35mm，連桿長度

圖2 曲柄滑塊機構模型

3 分析與優化

3.1 曲柄長度對膝關節減力裝置減力效果的影響

改變曲柄長度，圖3為取力偏置片長度為55mm時，分別取曲柄長度為20mm、25mm、30mm、35mm時對應的減力大小曲線。分析可知，曲柄長度的改變對減力效果影響較小，在一定范圍內，曲柄長度的增長會使減力幅度略有減小。

圖3 改變曲柄長度的減力曲線

3.2 連桿長度對膝關節減力裝置減力效果的影響

改變連桿長度，圖4為取曲柄長度為35mm時，分別取力偏置片長度為40mm、45mm、50mm、55mm時對應的減力大小曲線，連桿長度為力偏置片和油壓緩沖器長度的平方和的算術平方根，力偏置片長度增加，連桿長度增加。分析可知，連桿長度主要影響減力曲線的位置，在一定范圍內，連桿長度的增長會使減力的幅度減小。

圖4 改變力偏置片長度的減力曲線

4 結論

本文提出一種基于曲柄滑塊機構膝關節減力裝置。膝關節減力裝置的減力效果與曲柄和連桿的長度密切相關，曲柄長度的改變對于減力效果影響較小，連桿長度的增長會使減力的幅度減小。

[1]王東海.基于行走步態的被動式重力支撐柔性下肢外骨骼系統[D].杭州：浙江大學，2016：1.

[2]王珺.外骨骼機器人下肢增力機構設計和仿真研究[D].杭州：浙江大學，2016：25.