基于電液直驅(qū)技術(shù)的半主動(dòng)膝關(guān)節(jié)假肢設(shè)計(jì)

李振男, 韓 陽(yáng), 任 雷, 劉春寶

(1.吉林大學(xué) 機(jī)械與航空航天工程學(xué)院, 吉林 長(zhǎng)春 130022;2.吉林大學(xué) 工程仿生教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 吉林 長(zhǎng)春 130022;3.曼徹斯特大學(xué) 機(jī)械航天和土木工程學(xué)院, 英國(guó) 曼徹斯特 M139PL)

引言

由于下肢缺失,膝上截肢患者在日常生活中面臨諸多不便。目前,絕大多數(shù)截肢者使用被動(dòng)膝關(guān)節(jié)。被動(dòng)膝關(guān)節(jié)假肢在站立期提供穩(wěn)定的支撐,在擺動(dòng)期能夠隨殘肢自然運(yùn)動(dòng),帶有微處理器的假肢能夠進(jìn)一步改善截肢者的步態(tài)[1]。然而,被動(dòng)膝關(guān)節(jié)假肢不能提供主動(dòng)膝關(guān)節(jié)扭矩, 限制了擺動(dòng)階段的穩(wěn)定性和其他復(fù)雜功能,如樓梯上升。因此,主動(dòng)假膝采用動(dòng)力執(zhí)行器來(lái)解決問(wèn)題,根據(jù)是否存在被動(dòng)功能,分為全主動(dòng)膝關(guān)節(jié)假肢和半主動(dòng)膝關(guān)節(jié)假肢。全主動(dòng)膝關(guān)節(jié)假肢由齒輪、同步帶、絲杠或其他部件驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)膝關(guān)節(jié)的主動(dòng)運(yùn)動(dòng)[2]。在全主動(dòng)膝關(guān)節(jié)假肢的基礎(chǔ)上,半主動(dòng)膝關(guān)節(jié)假肢增加被動(dòng)元件或機(jī)構(gòu),在站立階段承擔(dān)身體的重量以節(jié)省站立相的電池消耗[3]。ROUSE E J等[4]為膝關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)了一種可離合器系列彈性執(zhí)行機(jī)構(gòu),在站立期鎖定,在擺動(dòng)期進(jìn)行主動(dòng)驅(qū)動(dòng)。FLYNN L等[5]設(shè)計(jì)的假肢CYBERLEGs通過(guò)一個(gè)帶有大剛度彈簧的重量承載機(jī)構(gòu)提供站立期的支撐扭矩。然而,這些動(dòng)力執(zhí)行機(jī)構(gòu)通常由高速、低扭矩電機(jī)組成,并通過(guò)高傳動(dòng)比減速以產(chǎn)生足夠的驅(qū)動(dòng)扭矩[6]。這種高傳動(dòng)比的驅(qū)動(dòng)方案具有較高的被動(dòng)摩擦和較低的反向驅(qū)動(dòng)能力,迫使假肢在擺動(dòng)階段進(jìn)行主動(dòng)驅(qū)動(dòng),而不是像被動(dòng)膝關(guān)節(jié)假肢跟隨大腿的自然運(yùn)動(dòng),這給殘肢帶來(lái)不必要的運(yùn)動(dòng)沖擊[7]。

為了保持被動(dòng)假肢自由擺動(dòng)的特性,研究人員提出了一種新的半主動(dòng)方案:主動(dòng)驅(qū)動(dòng)單元與液壓阻尼缸進(jìn)行耦合。MENDEZ J等[8]提出了一種混合膝關(guān)節(jié)假體,將商用液壓缸與電機(jī)驅(qū)動(dòng)主動(dòng)可變傳動(dòng)裝置結(jié)合起來(lái)。被動(dòng)水平行走傳動(dòng)比小,主動(dòng)樓梯傳動(dòng)比大。然而,傳動(dòng)比的切換需要一段時(shí)間。王啟寧等[9]提出了一種由變阻尼液壓缸和通過(guò)減速機(jī)構(gòu)直接驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)的低功率電機(jī)組成的混合膝關(guān)節(jié)。LEE J T等[10-11]將滾珠絲杠與液壓活塞集成在半主動(dòng)驅(qū)動(dòng)器中,開(kāi)發(fā)了一種液壓混合膝關(guān)節(jié)假肢,該假肢增強(qiáng)了水平行走擺動(dòng)階段的穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[9]和文獻(xiàn)[10]的主動(dòng)傳動(dòng)比分別為21∶1和75∶1。較低的傳動(dòng)比允許膝蓋像被動(dòng)膝關(guān)節(jié)假肢一樣自由擺動(dòng),但導(dǎo)致主動(dòng)扭矩不足(小于10 N·m)。因此,在電動(dòng)假肢中,低被動(dòng)摩擦與高主動(dòng)傳動(dòng)比之間存在著明顯的不相容性問(wèn)題。研究表明,具有高減速比的電靜壓作動(dòng)器廣泛應(yīng)用于航空航天、工業(yè)和機(jī)器人領(lǐng)域[12-13]。

本研究首先提出一種基于電液直驅(qū)技術(shù)的液壓半主動(dòng)驅(qū)動(dòng)原理,通過(guò)液壓回路完成兩個(gè)獨(dú)立的液壓子系統(tǒng)的集成,有效解決了現(xiàn)有電動(dòng)假肢低被動(dòng)摩擦與高主動(dòng)傳動(dòng)比不兼容的問(wèn)題,開(kāi)展相關(guān)計(jì)算分析,最后結(jié)合有限狀態(tài)機(jī)控制,完成人體實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 假肢原理設(shè)計(jì)與系統(tǒng)集成

1.1 水平行走步態(tài)劃分

人體水平行走通常被劃分為站立階段和擺動(dòng)階段[14],根據(jù)足部與地面的接觸情況以及膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),一個(gè)步態(tài)周期可以進(jìn)一步的分為四個(gè)階段,如圖1 所示。

圖1 水平行走步態(tài)相位劃分Fig.1 Phase division of level walking gait

站立早期:足跟觸地,膝關(guān)節(jié)開(kāi)始支撐身體重量,隨后全腳掌著地,身體繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng),髖關(guān)節(jié)向后至最大伸展?fàn)顟B(tài)。

預(yù)擺動(dòng)期:髖關(guān)節(jié)向前屈曲,帶動(dòng)膝關(guān)節(jié)屈曲,同時(shí)足跟開(kāi)始離開(kāi)地面。髖關(guān)節(jié)持續(xù)屈曲,直至足尖離開(kāi)地面。

擺動(dòng)屈曲期:足部完全離開(kāi)地面,膝關(guān)節(jié)跟隨大腿進(jìn)行擺動(dòng)屈曲至最大角度。

擺動(dòng)伸展期:足部離開(kāi)地面,膝關(guān)節(jié)開(kāi)始向前擺動(dòng),最終完全伸展;隨后足跟再次觸地,進(jìn)入下一個(gè)步態(tài)周期。

1.2 假肢液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)人體水平行走的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析,足部再次觸地的穩(wěn)定性一方面依賴于擺動(dòng)期的完全伸展,另一方面則是站立期的穩(wěn)定支撐。因此,膝關(guān)節(jié)假肢應(yīng)具備滿足以下幾個(gè)條件:首先,在站立早期,假肢需要提供可靠的支撐,其中被動(dòng)支撐能有效降低電量消耗;隨后,在預(yù)擺動(dòng)期和擺動(dòng)屈曲期,膝關(guān)節(jié)能夠跟隨大腿殘肢進(jìn)行自然的屈曲運(yùn)動(dòng),降低剛性沖擊;最后,在擺動(dòng)伸展期,假肢為膝關(guān)節(jié)提供主動(dòng)伸展,提高擺動(dòng)魯棒性。

電液直驅(qū)系統(tǒng)在傳統(tǒng)液壓高動(dòng)力輸出的基礎(chǔ)上,體積更小,集成度更高。同時(shí),液壓阻尼器可以在較小的尺寸內(nèi)產(chǎn)生較強(qiáng)的阻力。因此,基于電液直驅(qū)技術(shù),結(jié)合液壓阻尼調(diào)控方法,建立半主動(dòng)液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),包括主動(dòng)組件(主動(dòng)電機(jī)、柱塞泵)、被動(dòng)組件(旋轉(zhuǎn)閥、閥電機(jī))、執(zhí)行器組件(活塞、活塞桿、蓄能活塞、彈簧)、集成塊等,如圖2所示,點(diǎn)線和短線分別表示膝關(guān)節(jié)主動(dòng)伸展和被動(dòng)屈曲時(shí)液壓油的流動(dòng)方向。被動(dòng)屈曲時(shí),主動(dòng)電機(jī)停轉(zhuǎn),旋轉(zhuǎn)閥打開(kāi),無(wú)桿腔液壓油經(jīng)旋轉(zhuǎn)閥流入有桿腔,活塞向下運(yùn)動(dòng)。主動(dòng)伸展時(shí),旋轉(zhuǎn)閥關(guān)閉,主動(dòng)電機(jī)啟動(dòng),有桿腔液壓油經(jīng)柱塞泵增壓后直接作用于無(wú)桿腔,推動(dòng)活塞向上運(yùn)動(dòng),活塞運(yùn)動(dòng)速度由泵轉(zhuǎn)速直接控制。泵、閥、液壓缸相互并聯(lián),實(shí)現(xiàn)主被動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)集成,但又互相獨(dú)立工作,通過(guò)被動(dòng)系統(tǒng)獲取低運(yùn)動(dòng)摩擦,通過(guò)主動(dòng)系統(tǒng)獲得大傳動(dòng)比、輸出大范圍扭矩。

圖2 假肢液壓原理圖Fig.2 Hydraulic principle of prosthesis

此外,由于采用單出桿液壓缸,在屈曲階段通過(guò)蓄能活塞儲(chǔ)存多余的油液體積并壓縮彈簧進(jìn)行儲(chǔ)能,在伸展階段釋放。

半主動(dòng)液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通過(guò)被動(dòng)阻尼旋轉(zhuǎn)閥的開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)支撐與被動(dòng)屈曲運(yùn)動(dòng)的切換,充分發(fā)揮液壓缸低摩擦特點(diǎn),實(shí)現(xiàn)膝關(guān)節(jié)假肢在屈曲階段能跟隨穿戴者的意圖運(yùn)動(dòng),同時(shí)主動(dòng)系統(tǒng)在擺動(dòng)伸展階段能輸出強(qiáng)有力的輔助扭矩,實(shí)現(xiàn)低被動(dòng)摩擦與高主動(dòng)傳動(dòng)比的兼容。根據(jù)上述要求,對(duì)假肢關(guān)鍵元件選取如表1所示。

表1 假肢關(guān)鍵元件參數(shù)Tab.1 Parameters of key components of prosthesis

1.3 假肢結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與系統(tǒng)集成

在液壓閥塊的表面加工了一系列不同深度的孔,以連接各個(gè)液壓組件。由此產(chǎn)生的工藝孔通過(guò)密封螺釘或者膨脹堵頭實(shí)現(xiàn)密封。液壓缸孔的表面必須足夠光滑,以減少密封圈的磨損和液體的泄漏。如圖3所示,液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的所有組件都是在閥塊中組裝的,沒(méi)有外部管道。系統(tǒng)集成度高,為假肢輕量化、實(shí)用化提供極大的幫助。

圖3 液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)Fig.3 Overall design of hydraulic drive system

半主動(dòng)電液膝搭載兩種傳感器,角度傳感器與膝關(guān)節(jié)軸連接,測(cè)量其旋轉(zhuǎn)角度,壓力傳感器與小腿桿固定以獲取小腿軸向受力數(shù)據(jù)。同時(shí),定制的嵌入式控制板和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器安裝在假肢后面,2800 mAh容量的電池固定在假肢側(cè)面。最終,假肢完成系統(tǒng)集成如圖4所示,膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)范圍為0°～120°,整體高度為258 mm,總重量為2.8 kg(包括300 g電池)。

圖4 假肢總體設(shè)計(jì)與系統(tǒng)集成Fig.4 Overall design and system integration of prosthesis

由正弦余弦定理得到膝關(guān)節(jié)角度與液壓缸相對(duì)膝關(guān)節(jié)軸力臂的函數(shù)關(guān)系。再結(jié)合表1中的電機(jī)、泵、液壓缸參數(shù),計(jì)算得到膝關(guān)節(jié)角度與主動(dòng)傳動(dòng)比曲線,如圖5所示,在典型膝關(guān)節(jié)角度0°～90°范圍,電機(jī)與膝關(guān)節(jié)的傳動(dòng)比為126∶1～174∶1,遠(yuǎn)大于文獻(xiàn)[9]和[10]中的21∶1和75∶1。因此,電機(jī)在膝關(guān)節(jié)產(chǎn)生的理想扭矩約48～68 N/m。假設(shè)總傳動(dòng)效率為80%,電機(jī)仍可為膝關(guān)節(jié)提供39～55 N/m的主動(dòng)扭矩。

圖5 膝關(guān)節(jié)角度與力臂及主動(dòng)傳動(dòng)比關(guān)系曲線Fig.5 Functional relationship between knee angle and transmission ratio of piston force and knee torque

根據(jù)前述的步態(tài)劃分及驅(qū)動(dòng)原理設(shè)計(jì),將一個(gè)步態(tài)周期分解為四種工作模式,建立如圖6所示的水平行走有限狀態(tài)機(jī),并給出狀態(tài)轉(zhuǎn)換的標(biāo)志。

圖6 水平行走有限狀態(tài)機(jī)Fig.6 Finite state machine controller for level walking

假肢系統(tǒng)在各個(gè)狀態(tài)的工作原理如下:

站立早期階段:主動(dòng)電機(jī)關(guān)閉,旋轉(zhuǎn)閥關(guān)閉,液壓缸被鎖止,以保持站姿相位的穩(wěn)定性。

預(yù)擺動(dòng)期:主動(dòng)電機(jī)關(guān)閉,旋轉(zhuǎn)閥完全打開(kāi),膝關(guān)節(jié)跟隨大腿進(jìn)行被動(dòng)屈曲。

擺動(dòng)屈曲期:主動(dòng)電機(jī)關(guān)閉,膝關(guān)節(jié)繼續(xù)屈曲,旋轉(zhuǎn)閥逐漸關(guān)閉,限制進(jìn)一步的過(guò)度屈曲。

擺動(dòng)伸展期:旋轉(zhuǎn)閥關(guān)閉,主動(dòng)電機(jī)啟動(dòng),通過(guò)柱塞泵對(duì)膝關(guān)節(jié)進(jìn)行主動(dòng)伸展。

主動(dòng)伸展階段采用假肢及機(jī)器人系統(tǒng)常用的PD控制器[2],如式(1)、式(2)所示,主動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩跟隨膝關(guān)節(jié)角度變化,通過(guò)選取合適的控制參數(shù),實(shí)現(xiàn)擺動(dòng)期的完全伸展,增加再次觸地時(shí)假肢的穩(wěn)定性。

主動(dòng)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩為:

(1)

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輸出到膝關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)矩為:

T=nτη

(2)

其中,kp和kd分別是控制器的比例常數(shù)和阻尼常數(shù),Δθ是假肢膝關(guān)節(jié)目標(biāo)角度與實(shí)際角度的差值,n為主動(dòng)傳動(dòng)比,η為總傳動(dòng)效率。

此外,在突發(fā)狀況時(shí),假肢需要保持良好的安全性。傳統(tǒng)被動(dòng)假肢的擺動(dòng)伸展期阻尼較低,遇到障礙物時(shí)穩(wěn)定性差,不能鎖止膝關(guān)節(jié),穿戴者易發(fā)生跌倒等危險(xiǎn)情況。而本研究采用的控制器在不同膝關(guān)節(jié)角度時(shí)輸出的力矩是固定的,當(dāng)假肢在主動(dòng)伸展階段拌到障礙物時(shí),假肢在阻礙下停止運(yùn)動(dòng),而不是增大電機(jī)電流強(qiáng)迫假肢實(shí)現(xiàn)完全伸展,造成二次傷害。此外,假肢在擺動(dòng)伸展階段和站立早期,旋轉(zhuǎn)閥均為鎖止?fàn)顟B(tài),遇到突發(fā)狀態(tài),假肢盡管觸地時(shí)處于未完全伸展?fàn)顟B(tài),但也保持膝關(guān)節(jié)鎖止,進(jìn)一步保證截肢患者的安全。

2 旋轉(zhuǎn)閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算與仿真分析

2.1 旋轉(zhuǎn)閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

運(yùn)動(dòng)阻尼控制是膝關(guān)節(jié)假肢的關(guān)鍵問(wèn)題。為了解決這一問(wèn)題,研制了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能良好的旋轉(zhuǎn)阻尼閥。從圖7可以看出,旋轉(zhuǎn)閥主要由閥套、閥芯和擋塊組成,閥芯半徑為5 mm,進(jìn)、出口由閥芯表面深度為5 mm的油槽連接;在槽的兩側(cè)均勻加工了三個(gè)均壓槽,以平衡工作時(shí)產(chǎn)生的徑向力;密封元件用于將進(jìn)油口、出油口和外部環(huán)境分開(kāi);在閥芯和閥套之間為間隙密封;所有組件安裝在集成塊內(nèi)。在該閥內(nèi),油槽的寬度和進(jìn)出口的直徑均為3 mm,因此最大的流動(dòng)面積約為7 mm2。如圖8所示,該旋轉(zhuǎn)阻尼閥具有通流面積隨旋轉(zhuǎn)角度連續(xù)線性變化的優(yōu)點(diǎn),線性度為0.99538,較高的線性度能簡(jiǎn)化控制算法。

圖7 旋轉(zhuǎn)閥結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Structure of rotary valve

圖8 旋轉(zhuǎn)閥角度與通流面積曲線Fig.8 Curve of rotary valve angle versus flow area

2.2 旋轉(zhuǎn)閥液動(dòng)扭矩仿真分析

液動(dòng)扭矩是流體經(jīng)過(guò)閥時(shí)產(chǎn)生的反作用扭矩,影響閥的控制力和系統(tǒng)穩(wěn)定性,因此利用ANSYS/Fluent軟件對(duì)旋轉(zhuǎn)閥的液動(dòng)扭矩進(jìn)行了計(jì)算。首先對(duì)旋轉(zhuǎn)阻尼閥三維模型進(jìn)行布爾運(yùn)算,得到流場(chǎng)計(jì)算域,并在ANSYS ICEM CFD中建立網(wǎng)格模型。進(jìn)出口采用六面體網(wǎng)格,閥芯采用四面體網(wǎng)格,在邊界層附近采用更精細(xì)的網(wǎng)格,提高了計(jì)算精度。如圖9所示為旋轉(zhuǎn)角度為0°時(shí)的網(wǎng)格模型。閥芯流域的表面被指定為壁面。

圖9 旋轉(zhuǎn)閥CFD網(wǎng)格模型Fig.9 CFD mesh model of rotary valve

基于健康膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)[15]的生物力學(xué)數(shù)據(jù),當(dāng)100 kg使用者水平行走時(shí),活塞的最大受力約為1500 N,液壓系統(tǒng)壓力約為5 MPa。因此,入口和出口邊界條件分別設(shè)為壓力出口,壓力出口分別為5 MPa和0 MPa。采用Standardk-ε湍流模型計(jì)算。同時(shí),設(shè)定液壓油為不可壓縮液體,密度880 kg/m3,動(dòng)態(tài)黏度0.036 kg/(m·s)。在此模擬中忽略了泄漏量、粗糙度和熱量的影響。

通過(guò)ANSYS/Fluent后處理軟件提取了不同閥芯旋轉(zhuǎn)角度下的液動(dòng)扭矩的數(shù)據(jù)結(jié)果,如圖10所示。隨著旋轉(zhuǎn)閥角度的增加,液動(dòng)扭矩值先快速增加,當(dāng)旋轉(zhuǎn)角度在7°～13°的范圍時(shí)趨于穩(wěn)定,最后逐漸減小。開(kāi)口角度最小和最大時(shí),液動(dòng)扭矩均為0。不同角度下的最大液動(dòng)扭矩值為46.2 mm,遠(yuǎn)小于閥電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩,旋轉(zhuǎn)閥的液動(dòng)扭矩不影響閥芯控制性能。

圖10 旋轉(zhuǎn)閥角度與液動(dòng)扭矩曲線Fig.10 Curve of rotary valve angle versus flow torque

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

3.1 被動(dòng)摩擦力臺(tái)架實(shí)驗(yàn)

為了評(píng)價(jià)圖1中系統(tǒng)的低被動(dòng)摩擦的效果,進(jìn)行了臺(tái)架實(shí)驗(yàn)。如圖11所示,假肢驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通過(guò)夾具固定在電機(jī)萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)上。測(cè)試前,驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)取下蓄能彈簧,旋轉(zhuǎn)閥開(kāi)度調(diào)到最大,活塞桿處于最大伸長(zhǎng)量位置。測(cè)試時(shí),實(shí)驗(yàn)機(jī)向下推動(dòng)液壓缸活塞并記錄力和位移數(shù)據(jù)。

圖11 被動(dòng)摩擦力實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成Fig.11 Passive friction experiment system structure

摩擦力測(cè)試結(jié)果如圖12所示。由于加工公差的關(guān)系,在活塞運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,摩擦力是波動(dòng)的。平均摩擦力約為3 N,轉(zhuǎn)換為在膝關(guān)節(jié)產(chǎn)生的摩擦扭矩約為0.1 N·m。低被動(dòng)摩擦特性確保了假肢能跟隨大腿殘肢運(yùn)動(dòng)意圖進(jìn)行被動(dòng)屈曲的性能。

圖12 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)被動(dòng)摩擦力實(shí)驗(yàn)曲線Fig.12 Passive friction test curve of drive system

3.2 截肢者水平行走實(shí)驗(yàn)

邀請(qǐng)1例單側(cè)非血管膝上截肢患者(男性,39歲,83 kg,1.74 m)參與實(shí)驗(yàn)。采集數(shù)據(jù)前,對(duì)患者進(jìn)行半主動(dòng)假肢適應(yīng)性訓(xùn)練,同時(shí)調(diào)整控制器參數(shù)。如圖13所示,展示了患者在一個(gè)完整步態(tài)周期的水平行走運(yùn)動(dòng)。測(cè)試過(guò)程中,患者以自選行走速度運(yùn)動(dòng),并以100 Hz頻率收集膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)角度和主動(dòng)電機(jī)的電流值。上述人體實(shí)驗(yàn)經(jīng)吉林大學(xué)第二醫(yī)院批準(zhǔn)(No.2021072),實(shí)驗(yàn)前受試者均提供知情同意書(shū)。

圖13 截肢者佩戴假肢進(jìn)行水平行走Fig.13 Amputee wears prosthesis in level walking

如圖14所示,是假肢膝關(guān)節(jié)角度在一個(gè)步態(tài)周期內(nèi)的運(yùn)動(dòng)角度,黑色曲線為平均值,灰色區(qū)域是標(biāo)準(zhǔn)偏差。在站立前期旋轉(zhuǎn)閥關(guān)閉,膝關(guān)節(jié)角度幾乎沒(méi)有發(fā)生變化,預(yù)擺動(dòng)期和擺動(dòng)屈曲期,膝關(guān)節(jié)進(jìn)行被動(dòng)屈曲運(yùn)動(dòng),最大屈曲角度61.5±1°。參考其他主動(dòng)擺動(dòng)屈曲型假肢,文獻(xiàn)[7],文獻(xiàn)[9],文獻(xiàn)[10]的最大屈曲角度約63°,文獻(xiàn)[5]的最大屈曲角度約為50°。液壓半主動(dòng)膝關(guān)節(jié)假肢依靠被動(dòng)運(yùn)動(dòng)的慣性實(shí)現(xiàn)了與主動(dòng)屈曲效果相當(dāng)?shù)倪\(yùn)動(dòng)范圍,充足的被動(dòng)屈曲角度,體現(xiàn)了液壓半主動(dòng)假肢的低被動(dòng)摩擦的優(yōu)勢(shì),同時(shí),屈曲角度越大,假肢運(yùn)動(dòng)過(guò)程中足部離地間隙越大,行走穩(wěn)定性越高。在擺動(dòng)伸展期,主動(dòng)系統(tǒng)介入,通過(guò)主動(dòng)電機(jī)電流,估算輸出到膝關(guān)節(jié)的主動(dòng)扭矩,結(jié)果如圖15所示。在擺動(dòng)伸展期,主動(dòng)系統(tǒng)的高傳動(dòng)比為假肢提供充足的動(dòng)力輸出,驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供的瞬時(shí)最大轉(zhuǎn)矩超過(guò)50 N·m,平均轉(zhuǎn)矩12.2 N·m,實(shí)現(xiàn)了膝關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)完全伸展,提高了擺動(dòng)末期的魯棒性。

圖14 假肢膝關(guān)節(jié)角度曲線Fig.14 Knee angle curve of prosthesis

圖15 膝關(guān)節(jié)主動(dòng)扭矩曲線Fig.15 Active knee torque of prosthesis

4 結(jié)論

本研究提出了一種液壓半主動(dòng)膝關(guān)節(jié)假肢的總體方案,設(shè)計(jì)基于電液直驅(qū)技術(shù)的半主動(dòng)驅(qū)動(dòng)原理并實(shí)現(xiàn)假肢系統(tǒng)集成。開(kāi)展旋轉(zhuǎn)閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),通過(guò)仿真分析驗(yàn)證其合理性。進(jìn)行臺(tái)架和人體測(cè)試,評(píng)估假肢的系統(tǒng)性能。半主動(dòng)液壓膝關(guān)節(jié)假肢充分利用液壓傳動(dòng)的特點(diǎn),使假肢能跟隨大腿運(yùn)動(dòng)意圖進(jìn)行被動(dòng)屈曲,同時(shí)擺動(dòng)伸展階段輸出大范圍的主動(dòng)扭矩,有效的解決現(xiàn)有電動(dòng)假肢被動(dòng)低摩擦和高主動(dòng)傳動(dòng)比之間的不兼容問(wèn)題。