代光辉 靳国宝

（巢湖学院机械与电子工程学院 安徽巢湖 238000）

气动人工肘关节的结构设计与优化

代光辉 靳国宝

（巢湖学院机械与电子工程学院 安徽巢湖 238000）

文章依据人体肘关节的运动特征设计了一种气动人工肘关节，描述了其结构原理和工作过程；建立了气动人工肘关节运动的数学模型，并根据人体肘关节的运动特征设置了气动人工肘关节的优化约束条件；通过构建拉格朗日方程对气动人工肘关节进行优化分析，优化分析结果显示，气动人工肘关节的转角范围增大18.34%，最大转矩提高了36.2%。

气动人工肘关节；数学建模；结构优化

肘关节是人体上肢运动中的重要一环，上承肩关节下接腕关节，能够实现屈/伸和内/外旋转两个自由度的运动，在人体上肢运动中起到至关重要的作用。近年来仿生肘关节在康复机械、工程机械手、仿生机械等领域被广泛研究，促进了其多样性的发展[1]。

现有肘关节的结构大体可分为电机驱动型结构和气压驱动型结构两大类。电机驱动型结构通常采用滚珠丝杠、曲柄连杆以及球型齿轮等机构作为传动和执行的主体，利用电机进行驱动，该结构在使用过程中依靠精确的控制来实现固定的工作，自适应性较差，输出力或力矩的效果有别于真实的肌肉力学特性[1-3]。气压驱动型结构主要是以编制结构的气动人工肌肉(PAM)结合特定的机械结构设计而成的一种气动仿生肘关节，此仿生肘关节基本符合人体手臂的驱动和控制机理，但由于PAM制作时使用的大多为弹性材料，控制过程受弹性材料的影响较大，运动精度较低，另外气动人工肌肉体积膨胀易产生机构干涉[4-5]。……