一种张拉整体仿生膝关节的制作方法与工艺

本发明涉及机械仿生工程技术领域，具体涉及一种可应用于机器人、假肢等领域的基于张拉整体结构的仿生膝关节。

背景技术：
世界范围内有关机器人的研究工作已经得到广泛开展，但是目前几乎所有的机器人的关节(髋关节、膝关节与踝关节等)均被简化设计为铰连接。由于机器人关节在运动中往往承受拉压、剪切、弯曲和扭转等多种类型载荷的作用，进而需要施加驱动与复杂控制来实时维持关节运动的稳定性，同时，由于铰连接多为刚性连接，刚性体之间不可避免地存在摩擦与撞击，研究表明，这些可能是导致该类型机器人运动控制系统复杂进而造成能效低问题的重要原因，目前尚无较好的解决方法。而动物的肢体具有精细的骨骼-肌肉系统，该系统又分为骨骼系统与肌肉系统，前者包括骨骼、软骨、韧带等，后者主要由肌肉和肌腱组成。其中，多条韧带束缚骨骼连接形成关节并保证关节的稳定性；肌肉主动收缩产生肌肉力并通过肌腱将力传递至连接骨骼，从而产生骨骼的关节性运动。从生物力学角度出发可知，骨骼-肌肉系统中的骨骼、软骨均主要承受压载荷，而韧带、肌肉、肌腱等组织则主要承受拉力作用。由此，动物的腿部骨骼-肌肉系统可视为是由具有空间拓扑结构特征的受拉的韧带、肌肉、肌腱组织与受压骨骼构成的有机体，是一种存在于生物体的特殊“张拉整体结构”。张拉整体结构的概念由美国结构工程师Fuller于20世纪40年代首次提出，是指由非连续受压构件包含于连续受拉构件而形成的一种自平衡空间稳定结构。之后，众多结构力学研究者对这一新型结构的理论与技术进行了探索与研究，目前其被成功应用于结构工程领域。近年来，随着多学科的深入交叉与融合，张拉整体思想引起了世界范围内生物力学与仿生机器人领域研究者的重视，其内涵也进一步被拓展。比利时根特大学的研究表明基于张拉整体的蛇形机器人仅采用线性控制即可维持其步态运动稳定性。美国国家航空航天局埃姆斯研究中心开发了张拉柔性机器人用于深空探测。由此可知，张拉整体结构已然成为生物力学与机器人领域最为活跃的研究方向之一，这与该结构体系本身所具备的柔性和自应力自平衡特性有着紧密联系。而这些特性又可能与机器人的节能运动密切相关，柔性可使得机器人腿部关节在运动中能够从容应对足-地冲击载荷，减小关节驱动负担，同时柔性代替刚性连接使关节之间消除刚体间的摩擦，降低能耗。自平衡特性则可以保证步态周期中腿部关节的稳定性。综观上述机器人关节、张拉整体结构的研究现状及动物关节的优异生物力学结构特征，急需一种张拉整体仿生膝关节。

技术实现要素：
本发明的目的是为了解决现有的机器人所使用的刚性铰链关节易摩擦、磨损导致关节失效、维持关节稳定能耗高、吸收冲击能力较差等问题，而提供一种张拉整体仿生膝关节。试验表明，该基于张拉整体结构的仿生膝关节能够较好的完成关节在矢状平面内的摆动，由于采用了张拉整体结构的设计，该关节整体组成包括仅受拉构件和刚性仅受压构件，不存在刚性元件间的摩擦与冲击作用问题，同时，由张拉整体结构本身具有自稳定性，可使应用本发明的机器人减少维持关节稳定所带来的能耗。本发明包含第一刚性受压单元、拉索单元及第二刚性受压单元。所述的第一刚性受压单元由第一刚性受压单元主体、第一支撑杆、第二支撑杆、第三支撑杆、第四支撑杆组成。其中，两组对称分布的第一支撑杆通过四组第一螺钉固连在第一刚性受压单元主体上。两组对称分布的第二支撑杆通过四组第二螺钉固连在第一刚性受压单元主体上。一对对称分布的第三支撑杆由两对第五螺钉固定在两组第一支撑杆之间，以增强整体的支撑刚度。四个均匀分布的第四支撑杆分别通过第六螺钉与第一支撑杆固连。所述的拉索单元由第一仿生十字交叉韧带、第二仿生十字交叉韧带、仿生副韧带、第一拉索和第二拉索组成。其中，第一仿生十字交叉韧带和第二仿生十字交叉韧带模仿人类膝关节十字交叉韧带的排布特点，第一仿生十字交叉韧带和第二仿生十字交叉韧带分别通过两组第九螺钉，成十字交叉状分布在第一刚性受压单元主体与第二刚性受压单元主体之间。成对使用的仿生副韧带，对称布置在第一刚性受压单元主体与第二刚性受压单元主体两侧，由第三螺钉固定于第一刚性受压单元凸台和第二刚性受压单元凸台上。成对使用且对称分布的第一拉索，两端通过第四螺钉固定在第二支撑杆的端部，并通过成对使用的第十螺钉使第一拉索的中部固定在第二刚性受压单元主体的顶端。同样成对使用且对称分布的第二拉索，两端通过第七螺钉固定在第四支撑杆的端部，同时通过成对使用的第八螺钉使第二拉索的中部固定在第二刚性受压单元凸台的内侧。本发明的工作过程和原理：在具体的使用过程中，第一刚性受压单元、拉索单元与第二刚性受压单元构成基于张拉整体的仿生关节，关节中间通过拉索单元的使用，在实现关节功能的同时避免了关节中间刚性连接轴的存在，使关节在运动时不存在刚性体之间的摩擦磨损。第一仿生十字交叉韧带，第二仿生十字交叉韧带的使用，模拟人类膝关节的十字交叉韧带，限制关节摆动的幅度。成对使用的仿生副韧带模拟人类膝关节中腓侧副韧带和胫侧副韧带的作用，避免关节沿非运动平面过度摆动，第一仿生十字交叉韧带与第二仿生十字交叉韧带的拮抗作用，仿生副韧带与第一拉索、第二拉索的拮抗作用使张拉关节的矢状面运动功能得以实现。这里，仿生副韧带发挥抑制第一刚性受压单元与第二刚性受压单元背离运动的作用，而第一拉索、第二拉索发挥抑制第一刚性受压单元与第二刚性受压单元靠近的作用，同时使用第一拉索、第二拉索可以提高关节运动的稳定性。本发明的有益效果：1、本发明通过模拟人体膝关节中的十字交叉韧带、腓侧副韧带和胫侧副韧带的结构，实现张拉整体膝关节的设计，同时起到限制仿生关节运动范围的目的。2、本发明通过张拉整体结构能够很好地实现关节在矢状平面内的摆动，同时关节在运动时不存在任何刚性体之间的摩擦、磨损与冲击作用，提高了关节稳定性与寿命。3、本发明具有一定的自稳定性，若应用到机器人关节中，可减少机器人为维持自身关节稳定所消耗的能量，提高机体整体能效。附图说明图1为本发明的立体示意图。图2为本发明的主视图。图3为本发明的仿生十字交叉韧带的局部视图。图4为本发明的左视图。其中：1-第一刚性受压单元；11-第一刚性受压单元主体；12-第一支撑杆；13-第一螺钉；14-第二螺钉；15-第三螺钉；16-第一刚性受压单元凸台；17-第二支撑杆；18-第四螺钉；19-第三支撑杆；120-第五螺钉；121-第六螺钉；122-第四支撑杆；123-第七螺钉；2-拉索单元；21-第一仿生十字交叉韧带；22-第二仿生十字交叉韧带；23-仿生副韧带；24-第一拉索；25-第二拉索；3-第二刚性受压单元；31-第八螺钉；32-第二刚性受压单元凸台；33-第九螺钉；34-第二刚性受压单元主体；35-第十螺钉。具体实施方式请参阅图1、图2、图3及图4所示，本实施例包含第一刚性受压单元1、拉索单元2及第二刚性受压单元3。所述的第一刚性受压单元1由第一刚性受压单元主体11、第一支撑杆12、第二支撑杆17、第三支撑杆19、第四支撑杆122组成，两组对称分布的第一支撑杆12通过四组第一螺钉13固连在第一刚性受压单元主体11上；两组对称分布的第二支撑杆17通过四组第二螺钉14固连在第一刚性受压单元主体11上；一对对称分布的第三支撑杆19由两对第五螺钉120固定在两组第一支撑杆12之间，以增强整体的支撑刚度；四个均匀分布的第四支撑杆122分别通过第六螺钉121与第一支撑杆12固连。所述的拉索单元2由第一仿生十字交叉韧带21、第二仿生十字交叉韧带22、仿生副韧带23、第一拉索24和第二拉索25组成，第一仿生十字交叉韧带21和第二仿生十字交叉韧带22模仿人类膝关节十字交叉韧带的排布特点，第一仿生十字交叉韧带21和第二仿生十字交叉韧带22分别通过两组第九螺钉33，成十字交叉状分布在第一刚性受压单元主体11与第二刚性受压单元主体34之间；成对使用的仿生副韧带23对称布置在第一刚性受压单元主体11与第二刚性受压单元主体34两侧，由第三螺钉15固定于第一刚性受压单元凸台16和第二刚性受压单元凸台32上；成对使用且对称分布的第一拉索24两端通过第四螺钉18固定在第二支撑杆17的端部，并通过成对使用的第十螺钉35使第一拉索24的中部固定在第二刚性受压单元主体34的顶端；成对使用且对称分布的第二拉索25两端通过第七螺钉123固定在第四支撑杆122的端部，同时通过成对使用的第八螺钉31使第二拉索25的中部固定在第二刚性受压单元凸台32的内侧。所述的第一仿生十字交叉韧带21、第二仿生十字交叉韧带22、仿生副韧带23、第一拉索24和第二拉索25的材质可以是橡胶。本实施例的工作过程和原理：本发明在使用过程中，第一刚性受压单元1、拉索单元2与第二刚性受压单元3构成基于张拉整体的仿生关节，关节中间通过拉索单元2的使用，在实现关节功能的同时避免了关节中间刚性连接轴的存在，使关节在运动时不存在刚性体之间的摩擦。第一仿生十字交叉韧带21，第二仿生十字交叉韧带22的使用，模拟人类膝关节的十字交叉韧带，限制关节摆动的幅度。成对使用的仿生副韧带23模拟人类膝关节中腓侧副韧带和胫侧副韧带的作用，避免关节沿非运动平面过度摆动，第一仿生十字交叉韧带21与第二仿生十字交叉韧带22的拮抗作用，仿生副韧带23与第一拉索24、第二拉索25的拮抗作用使张拉关节的矢状面运动功能得以实现。这里，仿生副韧带23发挥抑制第一刚性受压单元1与第二刚性受压单元3背离运动的作用，而第一拉索24、第二拉索25发挥抑制第一刚性受压单元1与第二刚性受压单元3靠近的作用。同时使用第一拉索24、第二拉索25可以提高关节运动的稳定性。