李 宁,郭明恩,王 彬,曹宇宸

（烟台大学机电汽车工程学院,山东 烟台 264005）

1 引言

目前我国假肢产品大部分性能不佳，质量不高，与世界先进水平差距很大。研制出高性能先进的假肢，打破国外垄断现状，提高我国残疾人的生活质量迫在眉睫。七轴六杆式假肢膝关节不仅有时变的瞬心，而且可以根据需要调节，对截肢者的适应性更好[1]。奥索公司的拓托七轴几何锁膝关节，是一款代表业内多轴膝关节设计标准的膝关节，这款膝关节体积和重量都不大，适合各种不同步速行走、活动不受限的社区范围步行者。

2 主要结构分析

该膝关节是一个六杆机构，如图1假肢膝关节结构简图。

AB杆连接大腿HI，EG杆连接小腿JK。AB杆 长：25mm，BCF杆 三 杆 长 度：BC：46mm，CF：30mm，BF：76mm，CDE杆三杆长度：CD：30mm，DE：21mm，CE：17mm，FG 杆 长：17mm，EG杆长：37mm。

3 建模及仿真

通过对该膝关节的结构分析，我们运用UG对其进行了三维建模，模型如图2所示。模型建好后导入Adams 进行运动仿真，设AB杆为固定副，ABCDEFG七个轴设为转动副，A轴为驱动轴，转动角速度为5.0d。每转动10度自动保存一次运动状态，共保存了12个状态。

4 瞬心求解

现以转到10度为例介绍该膝关节瞬心求解过程。该膝关节为典型的六杆机构，对于六杆机构的瞬心求解，我们可以运用高等机构学[2]中的方法求解。把运动链简图转化成它的变换图，即把构件用点表示，把两构件之间的回转副用两点连线表示。图1所示连杆机构可以表示成图3（1）所示。图3（2）中点代表构件，那么点与点之间的连线代表两构件之间的回转副。7条实线代表7个真实的回转副，也代表相连两构件之间的瞬心。其余4条虚线代表不直接相连两个构件假想的回转副，同时也代表这两个构件之间的瞬心。总之，图3（2）中任意一个三角形的任意三个边，都代表两顶点（构件）之间的瞬心，有三心定理可知，它们应在同一直线上。由此定理可推知，图3（2）中任意一个四边形各边的瞬心已知时，其对角线的瞬心可求。例如图3（2）、（3）中当四边形cdef各边的瞬心Pcd、Pde、Pef、Pcf已知时，对角线的瞬心Pce、Pdf可求，因为在三角形cef中，Pce应该在直线PcfPef上，在三角形cfe中，Pce应在直线PcdPde上，那么两直线交点就是Pec。同理Pdf应在直线PcdPcf和直线PdePef的交点上。

我们的目的是求大腿和小腿的相对瞬心，即杆EG（e）相对于杆AB（b）的瞬心Pbe。根据上述方法，在四边形bced中，Pbe应在直线PbcPce和直线PdePbd的交点上，从图3（3）中可以看出瞬心Pbc、瞬心Ped，这两个瞬心是属于相连两杆的瞬心，其瞬心就在回转副上。Pec在上一段已经分析过，同理Pbd在直线PabPad与PbcPcd的交点上。这样就求出了直线PbcPce和直线PdePbd的交点Pbe，即瞬心Pbe。

根据此类方法可以求出其它11个状态的膝关节瞬心。这就构成了七轴膝关节瞬心轨迹，如图4七轴膝关节瞬心轨迹。

5 结论

正常人膝关节在屈曲或伸展的过程中，两关节面间既有滚动又有滑动。图5中标记为ICR的曲线即为正常膝关节瞬心轨迹[3]。通过对比我们可以发现，七轴膝关节瞬心轨迹与正常膝关节瞬心轨迹很接近，这就说明此七轴膝关节能很好的模拟正常人膝关节瞬心轨迹。

[1]张瑞红.具有路况识别功能的智能膝上假肢系统的研究[D]:[博士学位论文].北京:清华大学,2000.

[2]白师贤.高等机构学[M].上海科学技术出版社,1998.

[3]杨敏.基于ADAMS二次开发的智能假肢膝关节仿真设计平台的研究[D]:[硕士学位论文].北京:中国地质大学,2010.