膝关节是人体正常运动的重要部位。为了满足下肢截肢患者恢复正常运动功能的需求,设计了一款双摇杆机构的假肢膝关节。首先,建立了下假肢的简化模型,通过对模型的运动学分析,获得了相关关节角度、角速度、角加速度等参数。通过动态静力分析法对双摇杆的各个杆件进行动力学分析,最终得到输出阻尼力与驱动力矩之间的平衡方程。通过Adams仿真分析,得到了高度相似的膝关节瞬心轨迹和踝关节轨迹运动曲线对比图。结果表明,设计的双摇杆假肢膝关节具有良好的稳定性与仿生性,能够满足截肢患者的运动需求。研究为双摇杆假肢膝关节整体的结构设计、加工和实时控制提供了理论依据。

设计并搭建一套磁流变液阻尼器力学性能测试系统,用该测试系统对所制作的磁流变阻尼器的力学性能进行实验研究。利用LabVIEW编写数据采集平台对温度和压力传感器的电压信号进行采集,并利用MATLAB对数据进行分析。探究磁流变液阻尼器在不同温度下施加不同电流时的阻尼力特性,并初步探讨磁流变液的黏温性能。实验结果表明:磁流变液阻尼器输出阻尼力在20~40℃之间受温度的影响较大,且随着温度的升高,阻尼力呈下降趋势。

基于超磁致伸缩材料的磁致伸缩效应,研制一种具有可控微位移功能的超磁致伸缩驱动器,并对外加预压力下该驱动器的微位移特性进行了实验研究。采用位移传感器、数据采集卡、驱动电源等,搭建超磁致伸缩驱动器的微位移性能测试台,实验研究在外加电流、预压力下,超磁致伸缩驱动器的输出位移与外加电流的关系。研究结果表明:在外加预压力为0~300 N时,驱动器的输出位移随外加电流的增加而增加;而在外加预压力为300~400 N时,超磁致伸缩驱动器的输出位移随输入电流的增大而减小。

针对现有磁流变阻尼器功耗大、输出阻尼力低的问题,以磁流变阻尼器的低功耗化及轻量化为优化目标,建立磁流变阻尼器结构参数与优化目标之间的关系模型;采用多目标遗传算法对其结构参数进行优化,得出最优解;对优化后的磁流变阻尼器进行试验研究,验证所选参数的合理性。研究结果表明:优化后磁流变阻尼器的平均功耗降低了46%、最大阻尼力增加了30%;磁流变阻尼器的功耗与阻尼力之间存在相互平衡关系,为磁流变阻尼器的参数设计提供了理论和实验依据。

结合四连杆机构和磁流变阻尼器设计一种新型磁流变阻尼下肢假肢。通过Opensim软件仿真,获得下肢关节角度曲线。为实现关节电机对关节角度曲线的轨迹跟随,以关节角度曲线为目标轨迹曲线,结合LabVIEW和STM32搭建关节电机实验测试平台,对下肢假肢关节电机进行运动控制研究。结果表明:关节实际轨迹与目标轨迹的误差不超过3.5°,关节电机的跟随效果较好。

针对现有假肢产品体积庞大、步态质量不佳的问题,将四连杆机构与磁流变阻尼器结合,设计了一种磁流变阻尼假肢膝关节,并基于磁流变阻尼假肢膝关节建立了下肢假肢虚拟样机模型。采用一组具有相位耦合关系的中枢模式发生器对下肢假肢进行了步态规划,得出了各关节的角度曲线。为验证所得关节角度曲线的合理性,利用SolidWorks Motion对下肢假肢进行了运动仿真,仿真结果表明:在关节角度曲线的驱动下,下肢假肢的步态特征具有良好的仿生性。