人工膝关节说明书.docx

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人工膝关节说明书

摘要

人体膝关节可以实现多种复杂的动作，人体膝关节之所以可以实现多种复杂的运动是由大自然进化的结果所决定的，近年来，许多国家都在研究膝关节的结构特征，关于人体膝关节的设计的课题也是日益火爆，因为这将是对现代生物医学以及机械学等等众多学科的一个综合的研究，将引起现代医学界的一次变革。

本次毕业设计的最终目的就是将膝关节的设计提升到一个更高的档次，我们将结合各种该方面的知识，将人体膝关节进行新的设计，采用三维机械元件UG，主要采用了仿生学的相关知识，并结合实际的人体膝关节的运动机能，对膝关节的运动原理以及结构特征进行机械设计，并进行结构运动的相关计算，得出一个比较合理的人工膝关节的设计模型。

新设计的膝关节不仅具有传统的膝关节的缓冲特性，同时具有自锁功能，该课题针对人体膝关节的研究具有比较高的参考性，可以为今后人体膝关节的设计以及医学上关于膝关节的研究提供有力的帮助。

关键词：

仿生机构缓冲特性人工膝关节

Abstract

Avarietyofcomplexmovementscanbeachievedinthehumankneejoint.Manycomplexmovementsofthehumankneejointaredeterminedbytheresultsoftheevolutionofnature.Inrecentyears,manycountrieshavestudiedthestructuralcharacteristicsofthekneejoint.Thesubjectofthedesignofthehumankneejointisbecomingincreasinglypopular,becausethiswillbeasubjectofmodernbiomedicineandmechanicsandsoon.Acomprehensivestudywillleadtoarevolutioninmodernmedicine.

Theultimategoalofthegraduationdesignistoupgradethedesignofthekneejointtoahighergrade.Wewillcombinetheknowledgeofvariousaspectstodesignthekneejointinanewway,usingthethree-dimensionalmechanicalcomponentUG,mainlyusingtheknowledgeofbionics,andcombiningtheactualmotionfunctionofthehumankneejoint,themovementprincipleofthekneejointandthestructuralfeaturesofthekneejoint.Mechanicaldesignandstructuralmotioncalculation,amorereasonabledesignmodelofartificialkneejointisobtained.Thenewlydesignedkneejointnotonlyhasthecharacteristicsofthetraditionalkneejoint,butalsohastheselflockingfunction.Thissubjecthasahighreferencefortheresearchofthehumankneejoint.Itcanprovideapowerfulhelpforthedesignofthehumankneejointandtheresearchofthekneejointinthefuture.

Keywords:

bionicmechanism,cushioningproperty,artificialkneejoint.

第一章绪论

1.1课题的研究背景及意义

历史上曾经爆发了很多次的战争，这些战争造成了很多的人员伤亡，有很多人在其中遭受了膝关节的截止处理，这无疑对人的心理及生理造成很大的伤害，这将直接影响着人们的日常生活，在近些年，交通事故也是造成人类膝关节受损的一大事故来源，在当今社会，我们很多研究机构都在对人体膝关节的领域投入很大的精力，力求设计出更符合人体生理特征的适用于平民百姓的膝关节模型，希望能够通过人工膝关节来帮助众多的残疾人士恢复活动能能力，这将是一个社会问题，在当今社会，人工膝关节有着比较广阔的空间[1]。

如下图1.1所示是人工膝关节假肢结构的应用图片[2]。

图1.1人工膝关节

此外，我国日前正在进入老龄化阶段，有关数据表明在今后的五年里，人口老龄化的程度将不断增加，并且比例也在逐渐扩大，随之而来的老年病也急剧上升，比如膝关节疼痛、并且伴随着严重的身体折磨，那么开发仿生机械人的问题也就逐渐别各国所重视[3-4]，仿生机械人不仅可以对老年人来的一些日升生活需要提供帮助，还可以替代人类来对老年人进行照顾护理，因此这将对未来仿生学创新带来一场科技变革。

仿生机器人的种类有很多种，根据社会需要，将其分为日常服务型机械人、医疗救治机械人、餐厅及消费场所服务机械人、老年人护理康复机械人以及娱乐场所服务机械人等等。

人工膝关节机构也属于仿生机器人的一类，在仿生机械人的结构上应用很广泛，如下图如图1.2和1.3所示[5-6]。

（a）仿生机械人（b）人体膝关节

图1.2人工膝关节应用人体下假肢[1]

图1.3人工膝关节应用人体下假肢[1]

人工膝关节仿生机构的研究水平对现代社会需要有着直接的关系，其研究水平直接影响着当今社会人们对下肢的应用程度，就目前来讲，其市场应用价值非常广泛，目前很多院校均开设了仿生学设计等相关学科，可以与机械工程相关联，是一门具有很大潜力的应用科学，为仿生技术的发展提供了很多的后备力量，这门学科的研究程度在不断加深，从开始的单一仿形到目前的多技术应用，传感器应用，生物仿真医学等等，越来越智能化，是人类产生各种技术思想和发明的智慧的结晶，也是人类创造灵感具体体现，目前来看，仿生学设计一共可以分为五个领域，他们分别是：

形态仿生、结构仿生、构形仿生、材料仿生等[11-12]。

人类是大自然进化的产物，与地球上其他物种一样，各项生理机能十分的重要，人体各方面的活动组织是

人类适应自然，适应每天生活的必须的一部分的机能，特别是人体的膝关节，直接作用在人体的行走机构上，支配着人的行走组织，其结构紧凑、运动灵活、能够完成多种运动，不仅可以是人类直立行走，而且还可以自由奔跑，并且人体85%的体重均由膝关节支撑，可以说膝关节是人体最重要的关节，这话并不过分，也不夸张，所以，综上所述，设计一款合理的，适应人类需求的膝关节是一项非常艰巨，也是一项具有挑战性的研究任务。

1.2国内外研究现状

目前，世界上对人体膝关节的研究水平处于领先地位的仍然是西方国家以及日本，他们对膝关节的研究时间比较早是一个原因，另一个原因则是国家对该方面研究的关注与资金的投入，他们的研究水平也代表着世界上人类对膝关节的研究方向，也是衡量一个国家在人体生物医学的研究水平，以奥托博克、奥索以及英中耐等大公司为代表，这些国家的产品已逐渐占领全球的市场，该项技术在世界上已经处于垄断地位[14-15]。

美国加州大学的Radc1iffe教授在该方面的研究上，做出了重大的贡献，也是目前世界上掌握该项技术的一位资深人士，长期致力于假肢膝关节结构设计开发[16]，荷兰的Buma教授也是该项领域的以为顶尖人才，其主要的研究领域是材料的研究，尤其是对半月板组织的仿生材料的研究，处于当今的领先水平[17]，

我国对人体膝关节的研究相比之下则显得比较晚，开始于上个世纪的40年代，当时主要是以作坊为主，但是主要是为了服务上层社会而产生的，这些作坊的厂家主要分布于经济发到的北京、上海及天津、广州等地区，技术水平相对于发达国家而言落后很多，并且也是出于初期阶段，具有研发生产能力的假肢厂很少，技术水平也主要依赖于进口，产品的生产质量也差距很大相比与国外，但是近些年来。

伴随着我国对该项研究的重视程度越来越深，我国也已经有了自己的研究机构，并且与很多大学记性了合作项目，比如：

徐萌团队在该项技术上就做出了突出的贡献，其带领团队人员在人体膝关节仿生学原理及运动特性等项目上，做出了很大的贡献，对人体的生物力学的研究也占据了国内前言，其主要的工作时对人工膝关节的滚动比率、瞬心位置的的求法等做出了课题[18]，西安交通大学周仲荣团队也是该项研究的一个重要力量，其主要的研究领域是对人工关节摩擦学进行了研究[19]，此外，清华大学张济川、金德闻团队的主要研究领域是仿生机构设计，与机械设计工程相结合，对人工膝关节仿生机构稳定性及灵活性的研究也是国内的研究代表[20]。

人工膝关节的研究目前来看已经到了非常关键的时刻，因为作为下假肢组成的核心部分，研究水平的好坏不仅会影响到人类的使用效果，也会响应者其他学科的发展与知识的深入与融合的程度，目前，人们对膝关节的研究已经发展到了多领域区域，主要的研究机构形式可以分为两种：

连杆式人工膝关节机和非连杆式人工膝关节，就当前市场上常见的机构来讲，连杆式人工膝关节处于领先地位，并且其又包括单轴、四轴、六轴等几类人工膝关节机构，而非连杆式人工膝关节机因为本身的设计形式不同，虽然也是未来的一项发展趋势，当时当前的研究水平仍处于初期阶段，所以并不是很多见[21]。

下面将主要对连杆式人工膝关节做一下介绍。

（1）单轴人工膝关节

该种机构出现较早，当时是作为人工膝关节代偿机构而被人们发明的，在研究的初期，人们发现，人工膝关节的结构形式可以看作是一个铰链机构，依靠这种铰链的运动，可以代替人类的膝部的活动，单轴膝关节具有一下功能：

首先是结构比较简单，设计生产等工作都不是很繁琐，因为膝关节弯屈和伸展时的动作形式比较单一，主要是进行了旋转运动，这种运动的轴心是膝轴中心，在这个运动的过程中，其轴心的所处位置处于一个恒定的位置，瞬心也就是恒定的，就人体膝关节的于东形式来看，虽然达到了一定的效果，当时并不能完全代替人类的膝关节的运用的机能，而且运动形式与性能也不是很好[22]。

（2）多轴人工膝关节

人工膝关节的生物机能其实是多样的，为了更好的与实际人体膝关节的机能相吻合，人们不断的对其进行研究，并将人体膝关节定位为多轴系统，加州大学Radcliff团队的研究人员首先提出了这个概念，并且在以后的设计中，朝着这个多轴体系进行了研究，将连杆机构与设计进行了结合，这个概念的提出是人类对膝关节研究的一项重大变革与进步，如下图1.4a所示，表示了人工膝关节研究设计的四轴机构的运动速度瞬心，图1.4b及图1.4c为四连杆机构的下假肢[6]，随着轴系的变化，结构也相对变得越复杂，并且多轴膝关节的瞬心的运动轨迹并不是固定的，并且是与人类的实际膝关节的运动想接近的，所以，越来越多的人们将更多的经历都投入到了多轴系统的研究中，并且这种多轴系统在一定程度上，与人工膝关节实现了功能的代偿[23]，在多轴系统中，目前主要分为4轴系统和6轴系统，与仿生学进行了有机的结合，从机械学原理进行分析，二者的连接关节轴的侧杆长度

是可以进行尺寸变化的，从而在运动轨迹的实际变化中，他们的控制各个连杆的长度的实际轨迹曲线都是变化的，通过设计和调节瞬心位置的方式来进行仿生人体的运动和站立姿势，保持了人体的稳定性和运动的灵活性，但是多轴系统的静态稳定性和动态稳定性是相互干涉的。

图1.4多轴人工膝关节[6]

（3）其它人工膝关节机构

在实际的设计中，通过对人体膝关节的长期研究，李强等人根据仿生设计，对人体膝关节的运动形式提出了一宗新的设计理念，并将其进行了实际的产品展示，如图1.5所示[5]，是一款全新的人工膝关节仿生机构，该设计与以往存在着不同之处，主要从针对传统关节机构设计的角度进行了不同的设计，在结构和驱动方式上相对于以往的设计更加的先进与接近人体实际功能，自由度的数量与人体膝关节的运动形式十分接近，可以实现多种功能，但是这种设计的形式也斌不是非常的完美，主要的问题就是运动轨迹控制上存在一些问题，需要进行改进。

图1.5人工膝关节仿生机构

伴随着科学技术的飞速发展，各种全新的技术正在凸显与展示其特殊的功能，

在机械设计以及制造的领域更是有着很多深奥的知识在不断的被人们征服，新的设计理念与设计方法不仅可以缩短设计周期，还可以提高设计的精度与实际相结合的程度，免装配直接制造技术正是在这一时期被人们提出并运用到实际工作当中的，它是采用计算机对机构进行数字化装配并直接制造成型，并且在进行设计完成后，可以省去很多工序，从而解决了设计的周期，提供了人类的效率，在此期间，涌现了很多的科研机构与科研人员，他们为人工膝关节的设计与进步作出了很多的贡献，Lipson等将三维打印与人工膝关节进行有机的结合，使设计更加快捷，Chen提出鼓形销等改进的间隙形状,提高了机构的可加工性，免装配关节机构如图1.6所示，从结构的原理来看，在关节连接的部位设计了球面副、旋转副等机构，在加工上，采用了一次成型技术，生产出的产品不需要进行二次装配，直接就可以应用到实际中，在一定程度上可以达到设计时所需的功能。

图1.6数字化设计的免装配假手[30]

免装配机构直接成型方法所采用的步骤如下：

（1）采用计算机进行模型的设计与建立，所涉及的软件包括了UG、CATIA、SolidWorks等等三位设计软件；

（2）将设计好的模型所保存的格式进行了统一的设置，统一保存为stl格式，并且将所保存的模型进行了后处理，目的是在进行快速模型建立的时候减少了误差产生，（3）将所做的模型软件导入到快速成型设备中，利用3D打印设备直接进行了生产。

具体的设计路径过程如下图1.8所示。

构建数值化

三维模型

导出SLT格式

数值化模型

快速成型后处理

软件处理

快速成型机

成型样件

成型样件

后处理

构建数值化

三维模型

导出SLT格式

数值化模型

成型样件

图1.8免装配机构直接成型步骤框图

免装配机构直接制造技术是未来的一项基本的发展趋势，因为它不是单一的学科，也不是单一的技术，它是与机械设计学、机械制造学、生物研究技相结合的直接产物，尤其在人工膝关节的设计中，凸显了其优势所在，该项研究技术具有以下特点：

（1）快速成型，节约大量的设计时间，缩短了设计周期与成本；

（2）在进行制造加工前，就可采用了计算机技术对其进行了有机的装配，提前发现不足之处，可以提前进行改进，减少了不必要的浪费；（3）提高了设计人员的设计思路，使机械设计与其他学科的结合变得的更加的容易与多样化，因此，免装配机构设计形式在当今人体仿生膝关节上，是一种有效试验的方法。

1.3人体膝关节研究的趋势

根据上述对人体膝关节的研究情况分析来看，国内外各个国家在该项研究项目上都在深入的做着研究，投入了很多的人力物力，并且也取得了很多突出的成绩，我们对人体膝关节的研究重点体现在了关节的结构的创新设计，虽然我们国家的科学家在此做出了很多的贡献，但是人体膝关节的研究并不是一个短期的过程，在该项领域上，我们国家要做的工作还很多，任务还很艰巨，目前的人工膝关节相对于自然膝关节的功能体现仍存在不足。

首先，单轴膝关节假肢的结构太单一，实现的功能不完全，属于比较落后的技术，多轴膝关节技术相对来讲，更加的贴近实际，但是其稳定性和运动的灵活性人仍就是一个难点。

假肢设计是一项复杂的设计，不是依靠单一的学科可以完美的完成的，不仅仅涉及到了生物医学，还与计算机技术，计算力学，有限元分析等等有着密不可分的关系，伴随着科学技术的飞速发展，人工膝关节机构的仿生设计与3D打印制造技术密不可分，目前的非标设计与是一项非常火爆的设计趋势，人体膝关节与之都存在这很多的联系，这些新技术的出现，都将改变着人们的思维与思路，因此，将人体

膝关节解剖原理、仿生设计与现代制造理论进行结合，是未来的仿生设计的目的与研究的发展趋势。

1.4主要研究内容

（1）、人工膝关节机构的仿生设计，参照对人体膝关节的实际运动形式的研究，将膝关节的模型进行了结构形式的简化，找到模型的关键点，也即是运动形式的简化模型，然后从仿生设计的角度出发，采用了三维设计软件UG，对模型的关键零部件做了非标的设计。

设计的模型零件均与实际人体膝关节的运行机能相一致。

（2）、采用了免装配制造方法研究，将三维模型在进行制造之前，在计算机中进行模型的装配，力争减少实际加工生产调试的时间，减少不必要的浪费，节约生产设计周期，同时对装配完的模型进行了运动形式的仿真，从而根据得到的运动模型，对新型膝关节的设计提出了参照与资料。

1.5本章小结

本章主要对人工膝关节的研究背景和发展趋势进行研究，和研究内容以及研究的过程和主要研究思路，通过对研究背景和发展趋势对膝关节进行仿真结构的设计和研究目的的确定。

第二章人工膝关节仿生机构设计

2.1自然人体膝关节说明

在我们进行设计的时候，首先要考虑的条件是人体膝关节是如何实现运动的，以及实现了哪些运动，只有将这部分的核心进行掌握，才可以开始其余的设计，而这部分的知识涉及的范围比较广泛，首先，我们需要从人体膝关节的解剖结构、运动特性等方面进行研究，膝关节是人体下部肢体与上部肢体的一个过渡连接，其结构比较的复杂，运动形式多样化，从机械设计的角度看，这属于一个多轴运动的形式，我们必须要掌握工作原理，人体膝关节机构的运动特性。

在实际的研究过程中，有一个难题一直没有跨越，就是在多轴运动模型中，如何解决动态稳定性、静态稳定性及运动的灵活性的关系，这是多年来，一直被人们谈及的一个难点，也是一个关键点，只有跨越这个难点，才算是又了真正的突破，要跨越这个难点，我们就必须从生物原型进行出发进行研究，所以，在这一章节中，我们需要对人体膝关节解剖结构等相关的知识进行分析研究，这是仿生设计的前提，只有掌握了线管的知识，才可以用来指导人工膝关节仿生机构的结构设计。

如下图2.1所示，是人体膝关节的结构透视图，从图中我们可以看出，组成人体膝关节的主要骨骼有骨盆、大腿、小腿以及足部等几个部分，在我们进行直立行走的时候，膝关节承受了人体的重量，在膝关节的细节部分的解剖学研究中，其组成形式如下图2.2所示，主要是由股骨、胫骨、髌骨、关节囊和韧带组成。

图2.1人体下肢[9]

图2.2自然人体膝关节解剖图[9]

股骨处于膝关节的上部，其表面结构形式不单一，也不光滑，从下图2.3所示，我们可以看出，其表面有很多凸出的螺旋装组成，这些螺旋状的结构不仅可以起到增大摩擦力的作用，而且也使该部位的承载能力增大，是人体直立行走的关键，同时，其外侧比内侧宽大，但内侧比外侧狭长，因为外侧的形状结构主要的作用是使膝关节能够进行屈伸运动，而内侧的结构形式的主要作用是使人体身体可以自由的旋转，在股骨的两髁位置处，有一个凹陷的形状，其在人体膝关节的作用主要是可以实现人体的支撑站立，并且也防止了人体有可能存在的滑摔，并且这个凹陷的部分在两侧是的厚度较大，中间则逐渐变薄，滑车沟构成的夹角约为135°到140°之间，为膝盖的稳定站立提供稳定运动轨道，从研究中可以看出，股骨的这些结构就可以有效地为人体的膝关节在站立的时候的稳定站立和动态条件下的稳定特性提供有效的条件，从而使膝关节具有良好的灵活性。

图2.3股骨三维结构[9]

2.2人工膝关节仿生机构设计

人体膝关节的主要运动形式是屈伸运动，在自然人进行屈伸运动的过程中，实际上是一项非常复杂的运动形式的综合体现，在这个运动过程中，包含了滚动、滑动、旋转、外翻等几项运用形式的综合结果，通过分析，我们可以知道这个运动过程的轨迹是一条比较复杂的曲线，形成了一条不连续的J形线，所以，我们对人体膝关节的设计，可以总结为是对人体膝关节的运动形式的一种实际的展示，所以，在进行分析的时候，着重研究的就是轨迹速度的瞬心，只有这个瞬心的位置越接近实际人体膝关节的形式，才可以将人体的膝关节的设计做的更加理想，但是实际上，这个问题是一项非常负责的设计过程，不仅仅要与理论力学想结合，还要与计算机软件技术进行结合，将运动的形式在电脑上展示出来，我们作为设计人员，考虑问题就是从设计的实际问题出发，通过简化设计模型，并且实现所需要的各种功能，是作为一个设计人员的思想体现，所以在这章中，我们要结合仿生学知识，对人体的膝关节进行仿生设计，同时将在设计中对零部件的设计作为设计的重点。

实际上因为人体膝关节的零部件并不是一个标准的尺寸，所以我们采用的设计思想就是采用非标设计的思想来进行设计。

2.2.1人工膝关节设计要求

在进行设计的时候，我们首先要考虑就是与实际人体膝关节的结构形式想接近，才可以实现人体膝关节的各项功能，还需要对人工膝关节在设计完的行走的形式进行研究与改进，人工膝关节机构主要作用就是给哪些需要进行假肢更换的人员进行使用，在人们进行行走的时候，假肢不仅可以实现基本的行走功能，还要实现站立的功能，而且不能出现打滑，折弯或者其他的不适应的条件反应，其作用人体的重要的支撑及受力机构，我们必须对其进行分析，以便于满足一下的几点要求：

（1）、人工膝关节的运行轨迹必须与实际上人体运动机能的运动形式相一致，具有良好的站立、折弯等特性与灵活性。

（2）、具有良好的稳定性，不仅在运动的时候具有可靠的运动稳定性而且在进行其他的运动形式或者站立的时候，更要有这种稳定性。

（3）、人工膝关节应具有良好的动态稳定性，以便于其可以进入屈伸状态。

（4）、当人体在行走间隙脱离地面时，膝关节的运动要具有灵活性，以便于可以快速的脱离底面或与底面进行接触。

并且需要避免发生磕碰，所以设计的时候，应考虑具有一定的缓冲特性。

（5）、为了避免膝关节机构打弯，在设计的时候，就要考虑设计成可以自锁的结构形式，确保站立的安全性。

以下将从两种不同的结构形式对其进行设计，并对设计的结构形式进行分析，找出合理的设计形式，作为本次设计的参考。

1.方案一

通过对膝关节的结构形式的分析，初步设计的人工膝关节的形式如下2.4所示，设计的原理主要是通过球铰接的原理进行的设计，机构中间采用了两个半月板进行的连接与接触，并且半月板具体弹性，膝关节的限位机构采用的是半月板以及壳体的作用，该结构形式的膝关节具有多个自由度，可以实现的功能不仅包括了正常的折弯运动，还可以实现旋转运用，但是这宗形式的设计存在一个问题，就是运动轨迹与自锁两个重要的功能的实现不是很简单，所以，我们就需要对其进行结构形式的改变，细节形式如图2.5a所示，在设计的内部机构上添加了锁止机构，其功能的实现原理如图2.5b所示，经过改进后的结构设计方案如图2.6所示。

图2.4方案一设计形式

图2.5人工膝关节仿生机构设计方案

图2.6改进后的人工膝关节仿生机构

2.方案二

在第二种设计方案中，我们在设计结构上采用了弹性件连接，设计的具体形式也是依据人体膝关节的自然运动形式而进行的，弹性件可以很好地起到缓冲的作用，更符合人体运动的机能，如图2.7a所示示正常人体膝关节的运动结构形式的简构，依次简化结构，我们将其进行的仿生结构的设计形式如图2.7b