基于磁浮半月板的仿生关节研究

Joint as basic swinging sports mechanism, was an important basic part for robot, which affect the working performance directly, and was applied in industry robot, walking robot, excavator and complicated manufacturing equipment. With robot's application wider and deeper, traditional joint's performance in dealing with shock became worse and worse because of the shortcoming in mechanical structure, materials and kinetics characteristics, while biological joint with buffering meniscus and roll sliding transmission between femoral and tibia helped the living beings realize high performance in shock resistance. At the same time, maglev make the isotropic separated, which offer inspiration for non-contact vibration control. So, facing novel structural pattern, this project planned to made knee as bionic prototype, propose and build bionic joint based on maglev meniscus through bionic research and project simulation, and would make the joint structure's bionic optimal design and bionic meniscus's maglev realization as research emphases, and would offer basic theory and technical basis for high performance bionic joint in shock resistance and fatigue resistance.

关节作为一种基础性摆动运动机构，是机器人必需的重要基础部件，直接影响着机器人的作业性能，广泛应用于工业机器人、行走机器人、工程挖掘机器和复杂制造装备等领域。伴随机器人应用在广度和深度上的发展，传统机器人关节受限于自身机械结构、材料及动力学特性，越来越难以满足机器人高抗冲击振动要求，而生物关节利用半月板和股胫骨滚滑动传动，表现了优异的抗冲击振动性能。与此同时，磁浮技术凭借其磁体同性相斥的自然特性，将两物体受限隔开，为非接触式振动控制提供了研究启发。为此，本项目拟以人体膝关节为仿生原型，面向机器人关节的结构模式和实现技术的创新，通过结构、功能和机理仿生，提出和建立一种含磁浮半月板的仿生关节结构模式以及仿生关节的设计方法和关键实现技术。重点研究关节结构仿生设计和仿半月板磁浮实现技术，使构建的仿生关节相对于传统的机械关节在抗冲击、抗振动、耐疲劳等性能方面有显著提高。

近年来，伴随着机器人应用进一步向广度和深度发展，提高机器人关节的抗冲击振动能力变得十分重要。传统的由轴承、轴套和铰链结构形式构成的机械关节，已经很难满足当前的需求。生物关节因拥有半月板以及股胫骨变瞬心滚滑运动方式，表现出了优异的抗冲击振动性能。为创新设计出具有高抗冲击振动性能的机器人关节，项目以人体膝关节为仿生原型，在深入研究了人体膝关节结构，半月板力学特性，股胫骨接触面描述、变曲率滚滑动机理及变瞬心运动方式等基础上，提出了设计一个仿生磁浮变瞬心滚滑运动关节。通过建立人体膝关节三维模型，进一步开展人体膝关节静力学特性及运动学和动力学仿真分析，研究人体膝关节结构与力学特性之间的关系。针对仿生关节结构，建立了人体膝关节动力模型及可控非全圆磁浮关节数学模型，并进行了详细的计算和分析。根据结构和功能仿生，设计完成了一个磁浮关节结构，进行了磁力计算，并提出了它的工作流程，以及控制系统和上位机软件的设计分析。制作了一个仿生磁浮关节的原理样机，搭建了试验平台，开展了实验研究。结果表明：本项目所建立的仿生磁浮关节实现技术与设计方法是可行和有效的。