本實用新型涉及機械仿生工程技術領域，具體涉及一種可應用于機器人、假肢等領域的基于張拉整體結構的仿生膝關節(jié)。

背景技術：

世界范圍內(nèi)有關機器人的研究工作已經(jīng)得到廣泛開展，但是目前幾乎所有的機器人的關節(jié)(髖關節(jié)、膝關節(jié)與踝關節(jié)等)均被簡化設計為鉸連接。由于機器人關節(jié)在運動中往往承受拉壓、剪切、彎曲和扭轉等多種類型載荷的作用，進而需要施加驅動與復雜控制來實時維持關節(jié)運動的穩(wěn)定性，同時，由于鉸連接多為剛性連接，剛性體之間不可避免地存在摩擦與撞擊，研究表明，這些可能是導致該類型機器人運動控制系統(tǒng)復雜進而造成能效低問題的重要原因，目前尚無較好的解決方法。

而動物的肢體具有精細的骨骼-肌肉系統(tǒng)，該系統(tǒng)又分為骨骼系統(tǒng)與肌肉系統(tǒng)，前者包括骨骼、軟骨、韌帶等，后者主要由肌肉和肌腱組成。其中，多條韌帶束縛骨骼連接形成關節(jié)并保證關節(jié)的穩(wěn)定性；肌肉主動收縮產(chǎn)生肌肉力并通過肌腱將力傳遞至連接骨骼，從而產(chǎn)生骨骼的關節(jié)性運動。從生物力學角度出發(fā)可知，骨骼-肌肉系統(tǒng)中的骨骼、軟骨均主要承受壓載荷，而韌帶、肌肉、肌腱等組織則主要承受拉力作用。由此，動物的腿部骨骼-肌肉系統(tǒng)可視為是由具有空間拓撲結構特征的受拉的韌帶、肌肉、肌腱組織與受壓骨骼構成的有機體，是一種存在于生物體的特殊“張拉整體結構”。

張拉整體結構的概念由美國結構工程師Fuller于20世紀40年代首次提出，是指由非連續(xù)受壓構件包含于連續(xù)受拉構件而形成的一種自平衡空間穩(wěn)定結構。之后，眾多結構力學研究者對這一新型結構的理論與技術進行了探索與研究，目前其被成功應用于結構工程領域。近年來，隨著多學科的深入交叉與融合，張拉整體思想引起了世界范圍內(nèi)生物力學與仿生機器人領域研究者的重視，其內(nèi)涵也進一步被拓展。比利時根特大學的研究表明基于張拉整體的蛇形機器人僅采用線性控制即可維持其步態(tài)運動穩(wěn)定性。美國國家航空航天局埃姆斯研究中心開發(fā)了張拉柔性機器人用于深空探測。

由此可知，張拉整體結構已然成為生物力學與機器人領域最為活躍的研究方向之一，這與該結構體系本身所具備的柔性和自應力自平衡特性有著緊密聯(lián)系。而這些特性又可能與機器人的節(jié)能運動密切相關，柔性可使得機器人腿部關節(jié)在運動中能夠從容應對足-地沖擊載荷，減小關節(jié)驅動負擔，同時柔性代替剛性連接使關節(jié)之間消除剛體間的摩擦，降低能耗。自平衡特性則可以保證步態(tài)周期中腿部關節(jié)的穩(wěn)定性。

綜觀上述機器人關節(jié)、張拉整體結構的研究現(xiàn)狀及動物關節(jié)的優(yōu)異生物力學結構特征，急需一種張拉整體仿生膝關節(jié)。

技術實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的是為了解決現(xiàn)有的機器人所使用的剛性鉸鏈關節(jié)易摩擦、磨損導致關節(jié)失效、維持關節(jié)穩(wěn)定能耗高、吸收沖擊能力較差等問題，而提供一種張拉整體仿生膝關節(jié)。試驗表明，該基于張拉整體結構的仿生膝關節(jié)能夠較好的完成關節(jié)在矢狀平面內(nèi)的擺動，由于采用了張拉整體結構的設計，該關節(jié)整體組成包括僅受拉構件和剛性僅受壓構件，不存在剛性元件間的摩擦與沖擊作用問題，同時，由張拉整體結構本身具有自穩(wěn)定性，可使應用本實用新型的機器人減少維持關節(jié)穩(wěn)定所帶來的能耗。

本實用新型包含第一剛性受壓單元、拉索單元及第二剛性受壓單元。

所述的第一剛性受壓單元由第一剛性受壓單元主體、第一支撐桿、第二支撐桿、第三支撐桿、第四支撐桿組成。其中，兩組對稱分布的第一支撐桿通過四組第一螺釘固連在第一剛性受壓單元主體上。兩組對稱分布的第二支撐桿通過四組第二螺釘固連在第一剛性受壓單元主體上。一對對稱分布的第三支撐桿由兩對第五螺釘固定在兩組第一支撐桿之間，以增強整體的支撐剛度。四個均勻分布的第四支撐桿分別通過第六螺釘與第一支撐桿固連。

所述的拉索單元由第一仿生十字交叉韌帶、第二仿生十字交叉韌帶、仿生副韌帶、第一拉索和第二拉索組成。其中，第一仿生十字交叉韌帶和第二仿生十字交叉韌帶模仿人類膝關節(jié)十字交叉韌帶的排布特點，第一仿生十字交叉韌帶和第二仿生十字交叉韌帶分別通過兩組第九螺釘，成十字交叉狀分布在第一剛性受壓單元主體與第二剛性受壓單元主體之間。成對使用的仿生副韌帶，對稱布置在第一剛性受壓單元主體與第二剛性受壓單元主體兩側，由第三螺釘固定于第一剛性受壓單元凸臺和第二剛性受壓單元凸臺上。成對使用且對稱分布的第一拉索，兩端通過第四螺釘固定在第二支撐桿的端部，并通過成對使用的第十螺釘使第一拉索的中部固定在第二剛性受壓單元主體的頂端。同樣成對使用且對稱分布的第二拉索，兩端通過第七螺釘固定在第四支撐桿的端部，同時通過成對使用的第八螺釘使第二拉索的中部固定在第二剛性受壓單元凸臺的內(nèi)側。

本實用新型的工作過程和原理：

在具體的使用過程中，第一剛性受壓單元、拉索單元與第二剛性受壓單元構成基于張拉整體的仿生關節(jié)，關節(jié)中間通過拉索單元的使用，在實現(xiàn)關節(jié)功能的同時避免了關節(jié)中間剛性連接軸的存在，使關節(jié)在運動時不存在剛性體之間的摩擦磨損。第一仿生十字交叉韌帶，第二仿生十字交叉韌帶的使用，模擬人類膝關節(jié)的十字交叉韌帶，限制關節(jié)擺動的幅度。成對使用的仿生副韌帶模擬人類膝關節(jié)中腓側副韌帶和脛側副韌帶的作用，避免關節(jié)沿非運動平面過度擺動，第一仿生十字交叉韌帶與第二仿生十字交叉韌帶的拮抗作用，仿生副韌帶與第一拉索、第二拉索的拮抗作用使張拉關節(jié)的矢狀面運動功能得以實現(xiàn)。這里，仿生副韌帶發(fā)揮抑制第一剛性受壓單元與第二剛性受壓單元背離運動的作用，而第一拉索、第二拉索發(fā)揮抑制第一剛性受壓單元與第二剛性受壓單元靠近的作用，同時使用第一拉索、第二拉索可以提高關節(jié)運動的穩(wěn)定性。

本實用新型的有益效果：

1、本實用新型通過模擬人體膝關節(jié)中的十字交叉韌帶、腓側副韌帶和脛側副韌帶的結構，實現(xiàn)張拉整體膝關節(jié)的設計，同時起到限制仿生關節(jié)運動范圍的目的。

2、本實用新型通過張拉整體結構能夠很好地實現(xiàn)關節(jié)在矢狀平面內(nèi)的擺動，同時關節(jié)在運動時不存在任何剛性體之間的摩擦、磨損與沖擊作用，提高了關節(jié)穩(wěn)定性與壽命。

3、本實用新型具有一定的自穩(wěn)定性，若應用到機器人關節(jié)中，可減少機器人為維持自身關節(jié)穩(wěn)定所消耗的能量，提高機體整體能效。

附圖說明

圖1為本實用新型的立體示意圖。

圖2為本實用新型的主視圖。

圖3為本實用新型的仿生十字交叉韌帶的局部視圖。

圖4為本實用新型的左視圖。

其中：1-第一剛性受壓單元；11-第一剛性受壓單元主體；12-第一支撐桿；13-第一螺釘；14-第二螺釘；15-第三螺釘；16-第一剛性受壓單元凸臺；17-第二支撐桿；18-第四螺釘；19-第三支撐桿；120-第五螺釘；121-第六螺釘；122-第四支撐桿；123-第七螺釘；2-拉索單元；21-第一仿生十字交叉韌帶；22-第二仿生十字交叉韌帶；23-仿生副韌帶；24-第一拉索；25-第二拉索；3-第二剛性受壓單元；31-第八螺釘；32-第二剛性受壓單元凸臺；33-第九螺釘；34-第二剛性受壓單元主體；35-第十螺釘。

具體實施方式

請參閱圖1、圖2、圖3及圖4所示，本實施例包含第一剛性受壓單元1、拉索單元2及第二剛性受壓單元3。

所述的第一剛性受壓單元1由第一剛性受壓單元主體11、第一支撐桿12、第二支撐桿17、第三支撐桿19、第四支撐桿122組成，兩組對稱分布的第一支撐桿12通過四組第一螺釘13固連在第一剛性受壓單元主體11上；兩組對稱分布的第二支撐桿17通過四組第二螺釘14固連在第一剛性受壓單元主體11上；一對對稱分布的第三支撐桿19由兩對第五螺釘120固定在兩組第一支撐桿12之間，以增強整體的支撐剛度；四個均勻分布的第四支撐桿122分別通過第六螺釘121與第一支撐桿12固連。

所述的拉索單元2由第一仿生十字交叉韌帶21、第二仿生十字交叉韌帶22、仿生副韌帶23、第一拉索24和第二拉索25組成，第一仿生十字交叉韌帶21和第二仿生十字交叉韌帶22模仿人類膝關節(jié)十字交叉韌帶的排布特點，第一仿生十字交叉韌帶21和第二仿生十字交叉韌帶22分別通過兩組第九螺釘33，成十字交叉狀分布在第一剛性受壓單元主體11與第二剛性受壓單元主體34之間；成對使用的仿生副韌帶23對稱布置在第一剛性受壓單元主體11與第二剛性受壓單元主體34兩側，由第三螺釘15固定于第一剛性受壓單元凸臺16和第二剛性受壓單元凸臺32上；成對使用且對稱分布的第一拉索24兩端通過第四螺釘18固定在第二支撐桿17的端部，并通過成對使用的第十螺釘35使第一拉索24的中部固定在第二剛性受壓單元主體34的頂端；成對使用且對稱分布的第二拉索25兩端通過第七螺釘123固定在第四支撐桿122的端部，同時通過成對使用的第八螺釘31使第二拉索25的中部固定在第二剛性受壓單元凸臺32的內(nèi)側。

所述的第一仿生十字交叉韌帶21、第二仿生十字交叉韌帶22、仿生副韌帶23、第一拉索24和第二拉索25的材質(zhì)可以是橡膠。

本實施例的工作過程和原理：

本實用新型在使用過程中，第一剛性受壓單元1、拉索單元2與第二剛性受壓單元3構成基于張拉整體的仿生關節(jié)，關節(jié)中間通過拉索單元2的使用，在實現(xiàn)關節(jié)功能的同時避免了關節(jié)中間剛性連接軸的存在，使關節(jié)在運動時不存在剛性體之間的摩擦。第一仿生十字交叉韌帶21，第二仿生十字交叉韌帶22的使用，模擬人類膝關節(jié)的十字交叉韌帶，限制關節(jié)擺動的幅度。成對使用的仿生副韌帶23模擬人類膝關節(jié)中腓側副韌帶和脛側副韌帶的作用，避免關節(jié)沿非運動平面過度擺動，第一仿生十字交叉韌帶21與第二仿生十字交叉韌帶22的拮抗作用，仿生副韌帶23與第一拉索24、第二拉索25的拮抗作用使張拉關節(jié)的矢狀面運動功能得以實現(xiàn)。這里，仿生副韌帶23發(fā)揮抑制第一剛性受壓單元1與第二剛性受壓單元3背離運動的作用，而第一拉索24、第二拉索25發(fā)揮抑制第一剛性受壓單元1與第二剛性受壓單元3靠近的作用。同時使用第一拉索24、第二拉索25可以提高關節(jié)運動的穩(wěn)定性。