基于ProMechanism的仿生膝关节优化设计与运动仿真研

1、年月第卷第期机床与液压基于的仿生膝关节优化设计与运动仿真研究李燕（武汉科技学院机电工程学院，湖北武汉）摘要：设计了用于数字化三维人体模型或假肢的四连杆膝关节，为了达到理想的运动效果，以膝机构瞬心坐标实际值与理想值之差最小，即膝机构的实际瞬心曲线与理想的膝关节瞬心轨迹相一致为目标函数，在五维设计空间中求得一组最优解，利用具有几何约束和尺寸驱动等参数化设计功能，无需进行烦琐复杂的公式推导即可建立满足约束要求的数学模型，并应用的多目标设计研究功能求得满足运动要求的杆件参数，在此基础上进行膝关节机构的三维造型及装配，进而在环境下对仿生膝关节杆机构进行运动仿真。关键词：；四连杆膝关节；运动仿真；优化设计

2、中图分类号：；文献标识码：文章编号：），）（，：卟，：；一；引言在三维数字人体模型的运动仿真中，关节的运动是保持虚拟人体运动真实性的基础。膝关节是人体运动最关键的机构，在一服装设计和假肢制造过程中，仿生膝关节的设计及其运动的仿真度一直依赖于复杂的数学计算和对产品的反复试验改进。作者探讨了一种较为简便而实用的方法，即利用三维建模软件的多目标设计研究功能和功能对仿生膝关节四杆机构进行优化和仿真，可快速求得满足膝关节运动要求的杆件参数。基于人体膝关节瞬心轨迹的膝关节机构优化设计（）图与用四连连杆机构模拟真实膝关节弯曲状态图为用绘制的模拟真实膝关节弯曲情形的四连杆机构，连杆为，连杆为连杆，为膝关节弯曲

3、时的瞬畴旋转中心，设四连杆的长度变量分别为，、：、，、，四连杆机构的结构角变量为，：的坐标值变量为戈舵和，在中，可设置下列关系式：菇建立膝关节四杆机构的数学模型图是与以四连杆机构模拟真实膝关节弯曲的情况，连接杆为固定连杆，日则固定在股骨上，跟随股骨的弯曲而移动。连杆与的位置随着股骨弯曲相对变化，两边杆的交点则为膝关节弯曲时的瞬晴旋转中心。收稿日期：基金项目：湖北省教育厅年科研重点资助项目（啪）；湖北省数字化纺织装备重点实验室资助项目（）作者简介：李燕（一），女，汉族，河南济源人，教授，工学硕士。研究方向：计算机三维建模与逆向工程技术。：。机床与液压第卷，（。）的轨迹接近形曲线，如“图所示，仿生

4、膝关节的运动必须尽可能地拟合人体运动时的运行曲线。因此，对仿生膝关节运动进。”“”“”“至墨彗璺嚣当坚受图人腿膝关节运动轨迹为使膝机构具有良好其中：是随机产生的尺寸变量名。的运动和动力特性，应使膝关节的瞬心曲线与理想的膝关节瞬心轨迹相一致。确定设计变量取膝四杆机构的各杆件长度，、：、。和结构角：作为设计变量，待这些参数确定后，整个四杆膝机构的设计将唯一确定。设计变量为工（，戈：，髫，戈。，髫）（。，。，）。即该设计需在这五维图模拟真实膝关节弯曲情形的四连杆机构空间内搜索到一个最优点名，以满足优化设计的要求。具有几何约束和尺寸驱动等参数化设计功能，并且支持鼠标动态拖动。、，当“：发生变化时，：的

5、坐标值变量和。：的大小自动随之变化；当各杆长度及结构角度一定，用鼠标拖动杆转动对四杆机构进行动态模拟时，可以直观地看到瞬晴旋转中心将发生变化，戈鸵和鸵的值也随之改变，无需进行烦琐复杂的公式推导，即可从中准确读出。：与。、：、，、。，：的关系变化值。确定优化原则当人正常行走时，人体膝关节瞬时旋转中心表目标函数在膝关节转角范围内，每隔。在正常人体膝关节瞬时旋转中心的轨迹图上取个点，戈。，为其对相应的理想瞬心点的坐标值，可由表【获得，以膝机构瞬时旋转中心的坐标值和理想瞬心点的坐标值的平方差的和最小建立目标函数。（）（一戈：）（死一，）式中：为设计点个数，取；为加权因子，是选定的常数，取。膝关节瞬心的

6、理想坐标值优化方法及结果应用的多目标设计研究功能，经计算求得，。基于的膝关节机构的运动仿真膝关节机构的三维造型及装配膝关节机构共有个零件组成，从零件的功能、强度和加工工艺等方面考虑，完成了这些零件的结构设计后，在中进行零件的三维实体造型，主要使用了的拉伸、旋转、混合等命令，对于复杂曲面还用到了的合并、实体化、镜像的功能。完成后的各零件如图所示。在中制作出各零件后，在环境下实现对各杆件的装配，因膝关节为四连杆膝关节，故在 图膝关节机构的组成零件装配时，个连接之间的连接要定义为销钉连接，如图所示。第期李燕等：基于的仿生膝关节优化设计与运动仿真研究熙要茎恐罢袅鬈竺詈烹擎璧篓翠篓奠篓行篓銎竺苎的篓矍，

7、竺妻茎竺孝曼蚕、运动干涉竺测、运动轨迹、萋璺、加警嬖竺兰篓：三。在环境下，当四连杆模拟膝关节图模拟膝关节由弯曲至。运动仿真模拟结束语在功能强大的平台上构建数字化三维人体模型或假肢的四连杆膝关节时，利用三维建模软件的多目标设计研究功能和功能对仿生膝关节四杆机构进行优化设计和运动仿真，使仿生膝机构的实际瞬心曲线与理想的膝关节瞬心轨迹相一致，改进了仿生膝关节设计中，依赖于复杂数学计算和对产品反复试验改进以提高其运动仿真度的传统方法。可使仿生膝关节的设计更为简便堡釜。要尊生机构运行具有更好的自然拟合性。昔喜出了了蔓陬【】，【】，：（），（）：【】曹清下肢假肢关节机构的研究和综合同济大学，【】帅玉妹，许

8、战，李诗珍，等多中心膝关节机构的选型与优化江汉石油学院学报，（）：【】谭加才，易际明的机构运动仿真及应用组合机床与自动化加工技术，（）：篙塞望翥躲篱冬。鸳主流工业以太刚¨【】茗杀荔：。备；菜、兰季三业百太网的污水处理控制系”。磊。：茇萎袭术写南态慕。磊；“：；”磊；羞，每一囊享五苫：）的嵌入式以太网络接口（上接第页）削力对立柱的影响比较小，应力主要集中在立柱的前加前壁的厚度或改变筋板布局来减小配重压力的影响。综合分析结果可知：通过增加壁厚的传统设计方率，为下一步的优化设计提供了依据。参考文献【】孙靖民机床结构计算的有限元法北京：机械工业出版社，【】杨萍，贺小明与间无缝连接的应用研究机

9、械设计与制造，（）：李伯民现代磨削技术北京：机械工业出版【】茬二、中，募建新影响内齿轮主要加工精度的因素分析拖拉机与农用运输车，（）： 一。一壁上，其原因为配重压力对立柱影响比较大，可以增法不但质量大而且结构性能并不优化，在机床设计中采用技术，有利于保证设计质量，提高设计效 基于Pro/Mechanism的仿生膝关节优化设计与运动仿真研究作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期：被引用次数：李燕， LI Yan武汉科技学院机电工程学院,湖北武汉,430070机床与液压MACHINE TOOL & HYDRAULICS2009，37(60次参考文献(5条1. J Goodfellow. J O'Connor The Knee 19942. W James. H Stuart Technical Note:Beyond the Four-Bar Knee 1998(033. 曹清 下肢假肢