模拟人体膝(盖)关节骨摩擦试验台设计

模拟人体膝（盖）关节骨摩擦试验台设计本科毕业设计(论文)GRADUATIONDESIGN(THESIS)题目：模拟人体膝（盖）关节骨摩擦试验台设计学生姓名：指导教师：学院：专业班级：本科生院制2016年6月页根据年龄分布特征的统计分析图1-2膝关节手术患者年龄段分布特征图1-2结果显示，膝关节手术的患者年龄主要分布于10~59岁，其中30~40岁、40~50岁两年龄段患者分别占22.09%、20.95%，多于其他年龄患者。由此我们可以分析得知30~49为下肢伤病高发人群，而下肢伤病的易发部位在膝关节。30~49岁处于人生最大价值期，十分有必要进行治疗，且该年龄段的人具有一定的财力积累，可以承受假肢或关节手术花销，因此我们利用生物工程技术在膝关节进行研究是具有医疗意义和经济意义的。创伤性1.3生物工程在假肢中的应用现代人工骨骼和肌肉关系代表生命科学前沿技术，生物材料的性能的测试、特殊合成金属（如钛合金）需要生命机械的协助与技术支持。这些器械与装置的制造需要现代需要在人工骨骼上培养肌肉需要完全模拟人体环境，而人体环境又需要专用设备来实现其生长。模拟骨关节转动所采用的机构和材料制造同时也是生物机械的难题，其中关节润滑问题，尤其是在没有外添润滑剂剂的情况下需要完成无限期润滑是一个难点。运用精密铸造技术，能将植入的部件精密结构加工，解决了这样的一些列问题，现代生物机械技术就能让瘫痪病人站起来。1.3.2人工假肢下肢的发展1990年英国Blatchford公司的工程师SacedZahedi设计了世界上第一个人工智能腿，1995年又进行了改进设计。进入20世纪90年代以后，下肢假肢技术日益进步，日本的Nabco公司、英国的Blatchford公司和德国的OttoBock公司先后研制出了可以自动识别有限路况的智能仿生假肢。美国发明的智能假腿，利用人工智能，可以很自然地迈步，并恢复肌肉力量。在2008年北京残奥会上，有“刀锋行者”著称的南非短跑运动员奥斯卡·皮斯托瑞因为出生就没有腓骨和半月板，所以他安装了碳化纤维假肢，奥斯卡的碳化纤维假肢只有正常下肢的一半质量，这使得奥斯卡的步频比5位前百米世界纪录保持者的平均步频还要快15.7%。由于起步较晚，中国假肢产品与国外相比还有一些差距。中国各地的假肢厂主要是以装配为主，真正生产假肢的厂家很少。如北京假肢研究所现在可以生产钛合金、四杆机构的假肢产品，山东、哈尔滨等地生产的假肢，还是传统的机械式，材料仍以合金钢为主。碳素纤维材料、气动、液动、智能控制的产品还没有见到生产。目前国内假肢生产技术仅相当于20世纪60~80年代的国际水平，主要以机械控制为主，材料大多数采用合金。[5]1.3.3人工关节技术膝关节的构造可概括为四大类.第一类为带锁定器的膝关节(简称固定膝).这类膝关节中装有带拉线或锁定杆控制的锁定器,在腿完全伸直时,膝关节被锁定,用手拉一下拉线或按一下锁定杆解除锁定,膝关节便可自由弯曲。典型产品有日本今仙技术研究所的LAPOC,SL0701,SL0710,SL0720等.第二类为可承重自锁的膝关节(也称负荷制动膝或安全膝)。典型产品有英国布莱切福特公司的PSPC、日本高崎假肢株式会社的TG1011以及德国奥托搏克假肢矫形器工业公的3R80等。第三类为具有可变瞬时转动中心的多轴膝关节(简称多轴膝).这类膝关节由多轴联杆机构组成,最常见的是四轴膝关节。典型产品有德国奥托搏克公司的3R60、3R70。第四类为全功能膝关节(TotalKnee).这类膝关节实际上也是一种多轴膝关节,不同的是它由7个轴、6根联杆组成。典型的全功能膝关节产品有美国CenturyXXIIInnovationsInc.公司的TK1100,TK1900,TK2000等[7-9]国内在人工腿(假肢)研究方面与和美、日、欧等发达国家和地区相比，还存在相当大的差距。在这一领域进行研究和开发的大学和研究机构相对较少,相关产业与欧美和日本相比整体上大约落后20年,各大假肢生产厂家目前的主要产品仍然停留在诸如游动式定摩擦膝关节、带手动锁定装置的膝关节(湖北省假肢厂、四川省假肢厂),游动式负荷制动膝关节(北京假肢厂、四川省假肢厂),单轴式、多轴式及固定式假脚(北京假肢厂)等。奥索仿生磁控大腿假肢奥托博客3R95大腿假肢国内主流医疗器械商采用的假肢器材1.4课题的提出由于现有市场上所有的替换型假肢产品都不能对关节运动做到生物学运动规划，只能实现简单的转动、滑动、扭动的机械运动。针对现有生物工程制造技术，面向医疗材料的制备运用，进行人体仿真替换下肢的研究探讨，特别是对膝关节全仿真的实验探讨。这样，不仅仅可以在实验室的环境下进行真人运动的关节实验，也可以试验研制出符合人体要求的膝关节替换件，亦可利用此设备解决生物工程关节无限期润滑问题，中在实际情况的要求下，我们需要制造出

第2章膝关节摩擦试验台的设计2.1设计构想膝关节是人体中最大且最复杂的运动关节，而对于假肢，膝关节装置是其核心部件目前，市场上主流的假肢产品，都是采用机械关节。这样的机械关节，只能简单的完成转动，利用多个关节组合，来完成多个自由度的运动的可行性，以完成关节基本功能。假肢关节细节图在大部分假肢产品中，可以看到关节细节如图。基本上都只能完成关节的转动，而不能实现扭动的功能。这与现实中生物学构造有很大区别，人体的膝关节运动非常复杂，具有多个自由度，可以进行转动、滑动、扭动等复杂非线性运动。1836年有研究者提出膝关节屈曲运动理论，由于膝关节股骨端和胫骨端相接触表面形状的不规则，所以在膝关节完成走路运动的过程中，两表面间既有滚动，又有滑动。[11-12]膝关节股骨和胫骨的表面，是不规则平滑曲线表面，其接触运动也是非线性难以计算，是包括在矢状面内的屈伸运动，凸起的额状面内的内外翻运动以及水平面内的内外旋转运动。人的步行运动主要体现在矢状面内的屈伸运动[13-15].2.1.1运动学建模根据医学解剖，可以建立膝关节的三维模型图4膝关节医学图鉴根据医学模型，结合运动要素分析，可将膝关节分为股骨、胫骨、半月板和韧带（髌骨）四个部分。1股骨内外髁骨并不对称，内髁骨较大；内侧和外侧兼有韧带，主要是保障关节侧向的稳定。2前交叉韧带连接股骨外髁骨与胫骨前方，后交叉韧带连接股骨内髁骨与胫骨外后方。髌骨为前护骨，安置在股骨之前，上附有髌韧带和股四头肌。膝关节运动过程中髌骨和韧带起到了增加力臂力和施加力以确定运动位置。如果没有韧带，将会造成膝关节运动不稳定，关节将会出现向内翻转运动。3半月板位于股骨和胫骨之间，增大了股骨与胫骨平台的接触面积。半月板具有缓冲压力，吸收震荡，在关节中有减震功能；膝关节的表面并不完全吻合，会产生较高的接触应力。半月板能增大接触面均匀分布应力。[17]以上要素均为三维建模时需要考虑的问题，简述之就是膝关节的三维运动的位姿状态由骨骼及韧带共同决定[18]根据ISB推荐的膝关节运动定义，如图5所示，胫骨以关节为旋转中心有三个旋转和三个平移，共6个自由度。[19-20]在矢状面的屈伸为胫骨关节主要运动，其轴线近似认为是股骨内外髁骨中心连线[21]。在日常运动中膝关节弯曲角度变化范围认为是5°~70°，上下楼梯变化范围为80°~100°，人体处于坐位时范围是93°~105°[17,22]。图5胫骨股骨相对运动图6髌骨相对运动及对胫骨股骨定位股骨胫骨间基友滚动运动也有滑动运动。膝关节弯曲0~20°范围过程中股骨胫骨间的相对运动是滚动，当弯曲角度在20°以上时，只要运动是滑动。除此之外，股骨胫骨间还有其他形式的运动：外旋内旋运动，外展内收运动*，前后方向*、内外方向以及上下方向*的运动（*标为微小运动，后文中忽略此运动影响）[22]。髌骨相对股骨的运动共有6个自由度，如图6所示。弯曲过程中，病故沿着股骨的股沟做滑车运动，起始时，髌骨处于有游离状态，之后进入股骨髁间，滑动的最大量是5~6cm[23]本研究中仅对行走时膝关节状态做详细分析。根据医学影像扫描，可将膝关节的主要运动的实现关节简化如下如图6膝关节医学图像进一步可引出简化机械模型，便于之后的运动学和动力学分析。如图7。图7膝关节简化机械模型（胫骨股骨部分）2.1.2运动学分析引用徐萌，沈力行研究计算：将以上模型进行功能简化和结构对称，只考虑在矢状面内的运动模拟并采用内髁结构简化(基于内髁优于外髁)，内外髁中轴矢状面内股骨髁采用圆弧曲线(股骨踝前凸块曲率半径为22mm，后凸块曲率半径为32mm（见图1）图1股骨踝结构模型图胫骨髁采用直线简化处理(见图2)。图2胫骨踝结构模型图下面将以圆弧和直线构成的两构件来分析计算其滚动滑动比率和瞬心变化曲线。根据简化，滚动和滑动的联合运动，如下图3，以半径R的圆平面上从A经旋转和滑动运动到C可认为是从A滚动到B，再绕几何中心滑动到C。图3计算分析简图列出滚动和滑动运动所占比率计算公式纯滚时当纯滑动时由推论和实验数据得出，此运动分为两个衍生运动：1.滚动阶段：A-B，相接触点在瞬心，瞬心转过的弧长为0。.B-C，瞬心在圆弧几何中心，绕瞬心的弧长B^C。2.整个阶段A-C，可认为绕瞬心转过α角度的纯滑动，旋转半径为瞬心到接触点的距离r,于是B^C=rα，所以可得（其中r*为变位瞬心半径值，旋转角度变化时r值会做微小变化。α为屈曲时转过的角度）根据瞬心半径计算结果，以及为位移点实验研究结果可以得到本模型秒回的膝关节瞬心运动曲线。图4膝关节瞬心曲线图由图曲线看出瞬心越接近接触点，滚动运动占比越多；越接近圆心，滑动占比越大。[16]2.1.3动力学分析在进行设计时，需要分析其受力，建立真实情况下的动力学模型，以对试验台的机构设计进行比照，对比试验台的仿真情况是否符合生物学运动模型，这样才可以确保试验台的有效性、实用性。此处采用张秋月《全膝关节力学行为数值模拟和实验研究中》的模型，在无负重的情况下，选取人体重65KG，在站立时股骨顶端承受自身体重产生的力，这个力大小约为人体体重的62%[24]。在双腿站立的情况下股骨顶端施加载荷力为202N，沿着竖直方向时加载荷，膝关节附近除了韧带以外不采取任何约束，保证了冠状面，矢状面和横断面的自由度。F=（65×10)×62%×0.5=202N图7股骨胫骨受力图行走时分析较为复杂，首先对行走步态进行分析，完整的步态分为脚跟着地开始到同侧脚跟再次着地终止，简要分为支撑期和摆动期，前者占比60%，后者占比40%[25]。图8步态周期状态据此，可用Matlab预测大致的膝关节周期受力情况图9受力情况预测2.2试验台机构设计2.2.1已有研究成果目前，国内外对此试验台仍然处于研究阶段，没有较为成熟的产品。已知的研究成果有国外的美国专利产品，其简要工作机构图和简述如下图10国外试验台工作结构图该试验台主要由上部的曲柄摇杆机构、下部的曲柄滑块机构和一个平行四边形机构组成，实验时，电动机带动曲柄做圆周运动，经上半部连杆带动摇杆以及固接在摇杆上的股骨底盘往复摆动，而实验关节与股骨底盘相连，也随着在一定角度内往复摆动，另一方面，曲柄经下半部连杆带动导轨内滑块水平运动，而下部胫骨底盘连接在滑块上，也跟随滑块小幅度水平运动，从而实现上下两部分试验关节骨产生滑动摩擦和滚动摩擦，以模拟人在行走过程中膝盖骨的摩擦，同时设计导轨不直接固接在地基上，而通过一个平行四边形结构与地基相连，提供向上的一个自由度，从而让下部的气囊通过调整充气量来控制对关节施加载荷的大小。图11Saikko研发的膝关节试验机该试验台为美国SaikkoV团队研发的膝关节试验机，具有转动（-21.2°~21.2°）、小幅扭动（-5°~5°）、滑动（-5mm~5mm）三个自由度，用一个球面和一个凹面近似的代替股骨和胫骨，进行摩擦实验，准确度和仿生度很低，仅能代表多次磨损的测试实验[26]。图12Kansas研发的试验机该试验台为美国堪萨斯（Kansas）团队研发的,模拟器的运动都由伺服阀控制的液压缸实现,各轴上的位置和力都能测量和控制见图4。股四头肌的作用由液压缸模拟实现,同时控制膝关节受力和运动以及髋部的屈曲角度,同时膑股关节运动也得以实现.他们还在电脑上建立仿真模型对整个过程进行预测,试验中实测结果和仿真模型结果进行对比,得到仿真模型的限制条件,应用仿真模型控制试验机实现预置的人工膝关节三维的受力和运动方式。该试验台电气控制系统的复杂度很高，可以利用电控系统完成复杂的仿生动作，实验效果很好[27]。国内仅有“蒙太因华佗生物力学实验室”研制产品的膝关节摩擦试验台图13蒙太因研发的试验机该仿真膝关节摩擦试验机是目前国内唯一的已研发出实物的的模拟膝关节运动的相关机器设备。试验机采用电机作为动力源，经过减速器连接后带动凸轮做旋转运动，凸轮侧面的连杆带动股骨髁做90度运动，同时凸轮通过传动杆带动胫骨平台做5mm的等速往复运动，与股骨髁形成滚动及滑动。另外在传动杆上的一套杠杆机构又带动胫骨平台在屈曲时产生10°的内旋，伸直时产生10°外旋运动。该设备上已经进行胫骨的磨损实验[28]。以上介绍的设备，各有其特点从机械学的角度来说，第一种介绍的设备更为接近实际，具有的研究意义较为广泛。较其第三种设备，其仿生程度虽然较高，但是电控设备复杂。因膝关节摩擦试验台是往复高强度、多次数机械运动，采用电控设备会造成耗费大，编程调试难等问题，并不是很合适。第四种设备尚处于开发试验阶段，存在不能采用多工位，不能控制施加载荷等问题[28]。2.2.2设计初步本设计采用在已有实验设计上改进，由以上已研发或处于研发理论中的设备雏形的构架结合而来，根据膝关节运动的生物学运动和力学特性，制造出主要依靠机械设备来完成人工膝关节仿生运动的试验台。在上述试验台设计方案中做比较，发现第一套设备更为接近现实，且便于实现，故采用其构架理论作为本设计的方案支撑。首先是要大致的利用机械原理和机械设计中的运动规划，由执行机构的运动范围来作草图确定出基本的原动件位置、连杆机构和执行机构位置。再利用Adams建立虚拟样机进行多刚体动力学仿真，进一步确定各机构元件的布置、参数等规划。利用Solidworks进行三维建模，设计出试验台。最后将三维模型导入ANSYS进行有限元分析与实际人体膝关节运动和受力数据比对，采用Adams中参数化优化设计进一步分析，求出最优解。流程图平面运动规划分析虚拟样机建模分析平面运动规划分析虚拟样机建模分析试验台三维模型设计试验台三维模型设计机构模型替代膝关节模型机构模型替代膝关节模型有限元受力分析与实际情况对比最终参数优化有限元受力分析与实际情况对比最终参数优化2.3设计首先是确定骨骼的大小，因为试验台的目的是可以模拟真实的人体膝关节运动，所以期望能够完成1:1的全相似运动模拟。骨骼是试验部分，是整个试验台的测试品，核心部分之一。必须要做到与人体骨骼完全相同，才能保证试验台最大的真实性和有效性。之后是根据膝关节的接触点、不同维度的几何运动中心位置和骨骼的固定点位置，来确定机构的各项大致参数。由这些大致的参数，再结合不同步态的大致范围就可以精确定下各项参数数据。2.3.1骨骼的建模分析1软件介绍Mimics软件Mimics是由Materialise公司研制的一款3D图像生成和处理软件。该软件可用于进行二维扫描和三维模型建立相互转化。由于人体组织结构复杂，医学三维模型的建立是进行仿真计算的瓶颈之处。而Mimics有快速成型和逆向工程两种功能，根据导入的二维扫描数据，快速分析计算，生成三维模型。同时支持模型的旋转查看、编辑和处理等功能，从而完成二维到三维的转换，可将三维模型导入到其他软件中进行计算机辅助设计（CAD）。模块图如下CT/MRI扫描断层图片CT/MRI扫描断层图片快速成型（RP)有限元分析（CAE）计算机辅助设计(CAD)快速成型（RP)有限元分析（CAE）计算机辅助设计(CAD)Mimics基础模块；图像分割、图像可视化、图像配准等Mimics基础模块；图像分割、图像可视化、图像配准等（2）Solidworks软件SolidWorks是达索（Dassault）系统旗下下子公司，主要负责研发和销售机械设计软件产品。达索公司是负责系统性的软件供应，并为制造厂商提供具有Internet整合能力的支援服务。该集团提供涵盖整个产品生命周期的系统，包括设计、工程、制造和产品数据管理等各个领域中的最佳软件系统。是在同类产品中操作较为简单，人机交互较为友好的一款三维兼二维设计软件。该软件的接口功能强大，可与市面上主流设计软件相互转换。2膝关节骨骼模型建立及优化数据采集选取男性志愿者一名，下肢功能正常，健康无畸形，检查排除损伤等病理变化。受试者摆出双足直立，正常站立姿态，获得冠状、矢状、横断等断层图像序列1746张。，扫描范围为膝关节上下各15cm，抓取断层图48张。扫描参数为:T1加权成像，SE序列，重复时间(TＲ)为500ms，回波时间(TE)为17ms，视场(FOV)为200cm，矩阵256～256，信号采集均值次数(NEX)为2，翻转角90°，层厚6mm，无间隙容积扫描。三维建模将以上CT信息经导入Mimics，生成蒙板，再经阈值分割、区域增长、蒙板编辑、模型算建立下肢全长，股骨、髌骨、胫骨三维雏型[29]，作为下一波测量分析的储备。图14-1数据导入定位图图14-2导入Mimics的图片根据逆向工程原理，分别测量模型股骨解剖轴、胫骨解剖轴、股骨外旋角、胫骨平台后倾等解剖学数据。图解剖学测量尺寸图Mimics中建立的膝关节模型再将所得到的三维模型转换为x_t格式，导入到Solidworks中，利用其强大的建模能力，进行特征分析。得到整体三维图，再利用软件将其拆分成各个零件，即可完成目标。图Solidworks分析建模后的整体图和分割图通过上述步骤知道了膝关节的骨骼尺寸，便可进行平面运动的简化规划2.3.2初步规划平面运动根据人体行走习惯分析，选择普通行走位置，屈曲角度5°~90°，则上股骨的摆动角度约为2°~45°。在已知骨骼尺寸的情况下,可以利用《机械原理》所学知识进行运动规划。根据第一种设计方案，上股骨可以简化为四连杆机构1上股骨部分（1）简化分析图股骨运动机构原理图股骨底盘、试验关节、摇杆是互相固连关系可看做是一个摇杆。由此简化为曲柄摇杆机构简图如下图股骨部分简化后平面曲柄摇杆机构在人体步行的行动中，取2°~45°为ψ的变化幅度范围，即上图摇杆的活动范围以水平线为基准角度范围为2°~45°，曲柄会沿顺时针方向旋转360°。（2）理论依据《机械原理》第七版第93页教程中指出：已知运动规律的平面四连杆运动机构，可以通过作图法、解析法等方法进行求解，解出连杆的长度，机架的位置等参数。例如曲柄摇杆的图解法：如图所示，已知两连架杆的两组对应角位移分别为和以及和，即当连架杆1上某一直线AE由AE分别转过角和而到达AE和AE时，另一连架杆3上某一直线DF由DF分别转过角和而到达DF和DF。设计实现此运动要求的铰链四连杆机构。因两连架杆角位移的对应关系，只与各构件的相对长度有关。因此在设计时，可根据具体工作情况，适当选取机架AD的长度，图连杆机构作图如图所示，分别由A、D引出任意射线AE和DF，作为两连架杆的第一位置线，再根据给定的两组对应角位移分别作出两连架杆的第二和第三位置。在连架杆1上任取一点作为动动铰链中心B的位置，如图取B与E重合。这时动铰链中心C的位置可采用转换机架法确定：DF为“机架”，将平行四边形ABFD和ABFD予以刚体化。从而将确定C点位置问题转化为已知AB相对于DF的三个位置的设计问题。为此分别作出BB和BB的中垂线，两中垂线的脚垫即为铰链中心C，而ABCD即为满足给定运动的铰链四连杆机构[30]。（3）实际计算为计算方便，假设机架式一条水平线，两端点长度为100cm(1m)，摇杆长度为30cm。摇杆在以水平为基准，顺时针方向为正方向，摆动幅度为0°~45°。利用图解法求解。图四连杆机构图解法作图后可以根据摇杆的0°和45°的极位，作出两个状态的曲柄摇杆位姿图，之后可以量出曲柄和连杆的长度，经测量后连杆长度为758mm曲柄长度58mm。2胫骨部分图胫骨运动机构简化图由于在平面机构中，各构件只作平面运动，所以每个自由构建具有三个自由度。而每个平面低副（转动副和移动副）各提供两个约束，每个平面高副只提供一个约束。设平面机构中共有n个活动构件（机架不是活动构件），在各构件尚未用运动副连接时，他们共有3n个自由度。而当各构件用运动副连接之后，设共有p1个低副和p2个高副，则它们提供（2p1+p2）个约束，故机构自由度为F=3n-(2p+p)要使机构有确定的运动，则其原动件的数目必须等于该机构的自由度数目。在该机构中胫骨底盘、连杆、导轨是自由构件，曲柄是原动件，导轨、滑块、铰链等是运动副。而对于气囊，是一个较为特殊的物件，能在位移方向提供反向力，但是不提供约束。由以上公式可以计算出自由度F>1，大于原动件数目，故该机构的运动不能确定。但是，胫骨模型会与股骨模型相互接触，产生作用力。因接触面较为复杂，可认为接触后的摩擦运动可限制胫骨部分的冗余自由度，使其运动规律确定。胫骨部分的机构尺寸不能通过运动规划来确定，我们可以采用股骨部分的规划尺寸来大致确定其机构起始位置和尺寸。2.3.3虚拟样机建模分析虚拟样机（VirtualPrototype)技术是在CAD/CAM/CAE系列计算机技术及多体系统动力学基础上发展起来的系统级的产品建模、仿真与分析技术，近些年综合取得了突破性进展的多领域物理系统建模与仿真技术，形成了功能化虚拟样机技术。虚拟样机技术对于产品设计和开发，起到了非常大的作用，它将系统的各个零部件设计和分析技术融合在一起，在计算机中建立起整体模型。针对产品实际加工组装后的各种工作状况进行实时仿真分析，进而在虚拟环境下测试产品的整体性能，进而改进产品设计。设计人员可以在计算机软件的虚拟环境中进行真实模拟受力情况，分析多种设计方案，提高了工作效率，缩短了开发周期。目前国外多家公司已推出多款虚拟样机技术软件：美国的MSC.ADAMS、比利时的LMS.DADS、德国的SIMPACK、韩国的RecurDyn等。软件介绍本文中采用美国MDI公司开发的的MSC.ADAMS软件作为虚拟样机建模软件，该软件全称为“机械系统动力学分析软件”（AutomaticDynamicAnalysisofMechanicalSystem，ADAMS），是目前世界上范围最广、应用行业最多的机械系统动力学仿真工具。该软件可以建立虚拟样机，分析其性能，精确计算载荷变化，规划其运动轨迹，得出速度和加速度等。ADAMS为汽车、航空、轨道交通行业开发分析工具，集成专业化模板建模和行业标准化分析等功能。其特点如下：·操作方便，简单易学·实体碰撞和冲击分析功能，摩擦、间隙分析功能·大型、超大型工程求解能力，运算速度快·极好的解算稳定性，多接口支持功能，包括CAD/FEA/CSD之间的接口·唯一经过大量实际工程问题验证的动力学分析系统[31]模型建立由平面运动规划分析，可得出曲柄、连杆、摇杆的初始参数，由此可在ADAMS中建立模型。由于ADAMS三维建模能力比较差，可视化效果就只有原理图那样的基本效果，但是易于了解运动方法和原理胫骨的连杆机构建模可以在图中清楚地看出建立的基本模型，白色字为对实物的注解，黄色字为对连接方式的注解。在曲柄上设置一个转动运动，如图中大蓝色旋转箭头所示，设置驱动参数图默认驱动参数图默认参数下摇杆的运动曲线可以看出默认驱动参数50d*time情况下一个周期的运动是7.2秒，在前面的计算中我们取步频是每分钟116-122，所以一个动腿运动周期为1秒。需要调整驱动参数。不仅如此运动角度在0-45度之间，而默认画图后的情况下最大运动角度是60度左右，所以需要调整杆长，以改变运动角度。图改变运动参数后的运动函数曲线如图右可以看出在黑色虚线、蓝色实线、绿色虚线、淡蓝色实线中，运动最大幅度值不断接近45度，最后淡蓝色实线的幅度值即为0-45度。之后调整驱动函数如图左350*time，得到红色函数曲线，运动周期大约是1秒钟。图点位参数表股骨部分模型建立股骨部分模型的建立应该在胫骨部分模型的基础上继续进行，建立基本模型图如下图股骨模型建立图点表格股骨部分连接较为复杂，在股骨座与连杆处和滑块与滑块导轨处有滑-铰复合连接，在这里不作详细赘述。在股骨座下方，按照模型应该是安装有气垫，但是在ADAMS中没有气垫的详细建模功能，但我们可以仿照气垫在此处的作用，用其他模型进行替代。如图，选用弹簧替代气垫产品。弹簧可以提供位移负方向的弹力，这是与气垫相同的，采用两个不同弹性系数和初始长度的弹簧，可以充分仿真气垫的作用。图运动效果图在运动仿真中，发现股骨座的运动轨迹很差，多次调整后发现，是因为股骨座只有沿座Y轴方向上的限制弹簧，但是没有X方向限制弹簧导致的。同时，经过计算，股骨座的冗余自由度为2，所以会导致运动轨迹无法确定等诸多问题。后续的模型将会改进这些问题。全模型动力学仿真因全模型仿真涉及到接触和摩擦，所以需要精细的骨骼模型以进行仿真。ADAMS功能在建模方面较为薄弱，因此我们选择从其他软件建模后导入。将之前CT扫描后转成Solidworks文件的骨骼模型输出为.x_t格式，以导入ADAMS中。·胫骨模型与胫骨座、股骨模型与股骨座分别是相互固连关系，因此选择固定铰连接·胫骨模型与股骨模型之间的相互接触设置为实体接触，接触类型（碰撞系数、刚度等）按照塑料与塑料之间的接触参数既定·在模型中加入可调气垫板与仿真气垫弹簧连接，以更精确完成模型动作图全仿真模型可以看到模型中可调气垫板初始设置为水平状态，下面有一支压缩弹簧设置参数劲度系数K=800N/mm,阻尼系数e=10N·s/mm，预载荷F=20000N所以在仿真开始后0.01s内，弹簧将使气囊支撑板弹起到预设位置·由于阻尼很大气囊支撑板到预设位置后将没有震荡，·由于劲度系数很大，气垫（弹簧）的状态改变将不不会使气囊支撑板发生改变图动力学仿真运动在图中红色箭头线表示力作用，箭头方向即为力的方向，且箭头越长代表力越大。在仿真中，我们可以看出在摆动最大阶段股骨和胫骨可能脱离，经过查资料发现，这可能是因为缺少设置髌骨、髌骨韧带、前后韧带等限制部件，在后续的优化中，将继续对模型进行动力学参数调整和优化以完成更精确的人体步行模拟。

第3章三维产品设计在第2部分，进行了产品的初步尺寸设计探讨，本部分将依据设计的尺寸，进行试验台的零件和装配设计，建立三维设计模型。在实际设计中，需要注意的问题有基本的机构实现问题，加工问题、装配问题、精度问题等机械工艺方面的要求。3.1零件设计1台座首先是整个试验台需要有一个“台”作为支撑，台座作为整个系统的支撑台，承担了安装固定其他零件的任务。图3-1零件图-台座如图所示，设计为一个矩形台座，四个角。尺寸(长宽高）为1400×700×700mm，可以打孔，安装螺栓以固定其他零件。2支撑架支撑架起到排列固定竖直空间上的零件的作用，例如：固定上股骨安装铰点。图3-2零件图-支撑架为方便安装和替换，直接采用40×40国标铝型材作为支撑架，具体尺寸为40×40×1000mm3曲柄机构曲柄机构的设计需要的问题很多，在平面中曲柄可以不受限制地安装多个铰链、连杆。但在三维设计时，要考虑多个连杆之间的空间安装问题，若设计不标准，则可能出现力臂偏移、连杆铰点干涉等问题，同时也需要考虑曲柄的主动力传递问题。由于需要按照人体不同行走状态来进行试验，所以需要调整曲柄、连杆、摇杆的长度来改变步幅，在试验台上反映出来的就是摇杆的极位角。所以曲柄的长度要设计成可改变的。曲柄上需要留两个连杆铰点的安装工位。综上所述，设计曲柄如图3-3图3-3a零件图-曲柄孔槽可以安装轴，这样就可以调节曲柄的作用长度，键槽是为了外部电机可以通过皮带轮等方式传递动力到曲柄上，轴肩方便安装皮带轮。这样另一边再对称安装一个不带键槽的辅助曲柄，再在孔槽上加上轴，就可以构成一个完整的可调节曲柄。4曲柄座曲柄需要安装在曲柄座上，才能正常工作。曲柄座要求能够调节与台座面之间的距离，并且有很好的安装稳定性才行。图3-4零件图-曲柄座曲柄座上的孔槽，可以方便将曲柄座安装到支撑架上，方便调整曲柄座的高度。曲柄座设计为上下两半部分可以方便曲柄的拆装。5连杆连杆连接曲柄和摇柄，在本设计中，摇柄即为上股骨座和下胫骨座。摇杆的设计是要成为可变长度杆，两端还要考虑与其他杆件的连接问题。图3-5a零件图-连杆连杆中间加工成方形，可以增大摩擦和扭动力矩。在连杆两端分别由左右螺纹，可以与两端的端座连接，在拧动时两个端座间的距离可以改变。同时杆端需要设计连接部分零件。图3-5b零件图-杆端7股骨座股骨座用于安装和固定股骨模型，充当摇杆的执行机构。图3-7a股骨安装座图3-7b股骨安装座连接板股骨安装在机架上，还需要安装轴和安装板。连接板上有摇杆安装孔，用以安装摇杆，两个孔可以使摇杆与股骨装置固连，这样股骨与连杆就成为了连杆执行机构。下有股骨座安装孔，可以通过螺钉安装固定在股骨安装座上。8股骨铰座铰座是属于股骨本分的机架部分，将股骨座与试验台铰接，是股骨座的重要连接机构。图3-8a股骨铰座图3-8b股骨铰座桁架桁架用于固定股骨铰座，股骨铰座可以通过螺钉固定在铰座桁架上。桁架中间选用T型材，增大了其刚度，不易变形。9胫骨座胫骨安装座设计与股骨安装座相同，考虑到下方有连杆轴和平行导轨装置，所以尺寸比股骨安装座略大一些图3-9a胫骨安装座图3-9b胫骨安装座支架安装座上有6个螺纹孔，互相角度错位，水平错位，拧紧螺栓可以使胫骨模型与安装座相互固连。支架连接了胫骨安装座和下面的导轨安装座部分。10胫骨座导轨在ADAMS机构简图中有胫骨座与导轨连接，同时也与下连杆铰接，还与气囊相连接。因此，需要设计一个零件能够完成上述三种连接。图3-10a胫骨座导轨架图3-10b导轨摇杆在壳体上加工出导轨槽，同时加工出连杆轴孔下端面与气囊相连，上端面通过螺钉与胫骨安装支架相连。导轨摇杆可以在导轨内滑动，限制导轨的自由度。11导轨调节装置12胫骨座气囊13气囊座调装置14动力装置15传动装置3.2装配体设计3.2.1部分装配1曲柄机构2股骨部分（1）桁架与型材相螺栓连接，安装方便，可以方便地调整水平高度。（2）吊脚轴座通过M6螺钉与桁架相连，可以调整胫骨座的水平位置（3）轴座与胫骨座通过轴相连，可以确保轴在平面内的转动自由度（4）股骨座通过螺钉，夹紧胫骨模型，使之与胫骨固连。螺钉采用蝶形螺钉方便随时调节3胫骨部分胫骨部分的机构较为复杂，首先是将零件组装成功能部件，之后是部件与试验台桌台的连接，再是各个部件之间的装配。此装置的自由度为3，可以在垂直平面内上下、左右位移和转动。股骨模型与股骨座的安装，依靠6颗错位螺钉限制住股骨模型的的自由度，使股骨模型和股骨座相互固连。股骨座连接板和股骨座之间靠各2个螺钉连接（2）平行摇柄直接插入摇柄座，两个摇柄可以在垂直平面内自由转动。之后，将摇柄的另一端插入滑槽座中，完成滑槽的的安装。（3）支架、支座组通过M6安装螺钉、螺母安装在试验桌台上（4）各部件的连接。股骨座部件通过M6螺钉与滑槽座部件连接，股骨座部件和滑槽座部件分别通过拧紧螺钉、垫片连接固定，同时可以在水平方向上上下调动3.2.2整体装配图整体设计装配图3.3工艺学改进在机械设计中，其初步设计可以完成某些功能，但是这些设计，可能由于零件设计过于复杂，无法加工或者加工成本高昂。因此，需要根据机加工原理和机械制造工艺学来进行零件的工艺学改良设计。与此同时，这整个试验台是由各个零件组装而成，在零件装配时，需要注意零件的安装顺讯，安装安装工艺等细节。例如轴、轴承和轴承座的装配需要按工艺原则，将轴加工得有多段轴肩，利用轴肩定位来安装。所以，部分零件的加工需要遵从装配工艺学原则。3.3.1加工工艺学改进在设计中，设计出的产品转向实物，需要通过加工零件来实现，在机械零件的加工中，往往需要采用机加工方法来进行零件的制造。机加工是指通过机械景区加工去除材料，主要流程是：1）分析零件图及产品装配图，对零件进行工艺分析2）选择毛坯3）拟定工艺路线4）确定工序所需加工余量，计算工序尺寸和公差5）确定各加工工序所需的加工设备、刀具、夹具等辅助工具6）确定切削用量和所需工时7）各工序的技术要求及检验方法·机加工的常用方法：车、铣、刨、磨、钻、镗等·机加工常用的材料：钢、铝、铜、木材、塑料等特别的零件加工方式有铸造、焊接、冲压成型（钣金）、3D打印等。·铸造适合生产力学性能要求不高，不承受较大的交变、冲击载荷的零件，当零件的外形和内腔的形状复杂时，一般采用铸造生产。当零件成批大量生产时，为提高生产效率和材料利用率也可采用锻造。但是铸造需要开模价格很高。·焊接包括电焊、气焊、激光焊等方式，可以将两个零件紧密固连，形成一个复杂零件。以此加工稍复杂的零件可节约成本，但是焊接只适用于金属，且不能达到很高的加工精度。·冲压成型和钣金适用于薄零件，冲压可制出其他方法难于制造的带有加强筋等。需要用到冲压磨具，用于大批量生产。3D打印是目前新兴的零件加工方法，由机械加工中的快速成型加工方法发展而来，广泛运用于各个领域。根据加工材料的不同，3D打印可以制作出不同性能的零件，其加工十分方便，可以使用三维图纸直接建模，输出到软件加工。利用3D打印技术可以制造出机械性能良好的复杂零件，且不需要开模，单个零件加工成本较低，可以使用小批量，单独加工。3.3.2装配工艺学改进装配工艺学3.3.3标准件及非机加工部件3.4外观美化第4章检验第5章展望及总结

参考文献张德远,陈华伟,张鑫,梁建宏.军用仿生技术发展趋势.国防科,2003.09王裕清.生物机械工程研究进展.中国工程科学[J]2005年11月马岩.国际生物机械的发展与展望.设计与研究[J]2012年8月AbstractsoftheThirdWorldCongressofBiomechanics[M].HokkaidoUniversity,Sapporo,Japan,1998易守红.3002例膝关节镜手术及其关节软骨损伤临床临床流行病学特征研究.第三军医大学硕士毕业论文[J]2011谭冠政,吴立明.国内外人工腿(假肢)研究的进展及发展趋势[J].机器人,2001沈凌,喻洪流.国内外假肢的发展历程.中国组织工程研究,2012关川伸哉.最近の义足膝继手の动向——膝继手の机能と步行との关系.日本义肢装具学会讠志,1997别当有光.TG骨格システム.日本义肢装具学会讠志,1997田泽泰弘.最近の义足膝继手の动向.日本义肢装具学会讠志,1997锄园荣一,高桥功次.开发途上国と骨格构造义足——中华人民共和国における义肢给付の实状と骨格构造义足.日本义肢装具学会讠志,1992WangRC,JinDW.ZhongguoLinchuangKangfu.2002;6(20):3000-3019.王人成，金德闻.步态分析在假肢设计中的应用[J].中国临床康复，2002，6(20)：3000-3019.LenschowS,ZantopT,WeimannA,etal.JointkinematicsandinsituforcesaftersinglebundlePCLreconstruction:agraftplacedatthecenterofthefemoralattachmentdoesnotrestorenormalposteriorlaxity.ArchOrthopTraumaSu