残疾人气动膝关节的设计
作者：刘军营 李素玲 徐树秋
单位：刘军营(淄博山东工程学院，255012)；李素玲(淄博山东工程学院，255012)；徐树秋(济南山东省假肢矫形康复中心)
关键词：
中国康复医学杂志000212 1 气动膝关节的总体结构
气动膝关节由一个四连杆机构和阻尼气缸组成(图1)。根据人体膝关节的转动范围小于180°的要求，四连杆机构可采用双摇杆结构，为保证模拟人体站立时承重的稳定性，应对摇杆的转动方向加以限制，只能从限制点开始，顺时针方向转动和逆时针方向返回限制点，限制点恰好是人处于站立状态的位置。四连杆机构为低幅运动，磨损小，能满足长期使用的要求，连杆机构简单、体积小、重量轻，适合假肢的要求。缸体的设计可按常规气缸的设计要求进行，承压按0.6～1MPa设计即可满足60～80kg体重的需要。阻尼器可设计在缸体上，亦可设计在活塞上。
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图1 气压膝关节总体结构简图
2 阻尼器的设计计算
阻尼器的结构有两种形式：一种是无关闭速度的阻尼器，一种是有关闭速度的阻尼器。对于假肢康复行业，阻尼器承受冲击质量较小，为了结构和设计计算的方便，还是采用无关闭速度的阻尼器。无关闭速度阻尼器的载荷-位移曲线如图2所示。纵坐标为冲击载荷F，横坐标为位移速度v，两者呈抛物线关系。阻尼器的主要参数有：阻尼器最大冲击负载Fmax，阻尼器开启压力Pmin，阻尼器关闭力F，阻尼器的响应频率f，阻尼器响应时间Δt。
2.1 阻尼器的设计
最大冲击负载Fmax：可按标准承重的1.5～2倍考虑；阻尼器开启压力Pmin：Pmin≤0.2MPa；阻尼器关闭动力F：F= Pmin.A(N)；阻尼器的响应频率f：f=3Hz；阻尼器响应时间Δt：Δt<50ms。阻尼器采用人工可调的可变节流孔，根据流体连续性方程，通过节流口的流速(m/s)
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图2 无关闭速度阻尼器的载荷—位移曲线
(1)
由连续性方程
Qm＝ρvA (2)
和密度方程
(3)
得到通过节流孔流体的质量流量(kg/s)公式为：
(4)
其中，A：节流孔有效面积(m2)；p0：节流孔上游气体绝对压力(Pa)；p：节流孔下游气体绝对压力(Pa)；μ：流量系数；ρ0：节流孔上游气体密度(kg/m3)；ρ：节流孔下游气体密度(kg/m3)；T0：节流孔上游气体绝对温度(K)；T：节流孔下游气体绝对温度(K)；R：气体常数〔N.m/(kg.K)〕；k：比热。由以上二式看出，流速和流量均是p/p0的函数，对于p/p0在0～1内的变化，分两种情况：(1) 当0
单位：刘军营(淄博山东工程学院，255012)；李素玲(淄博山东工程学院，255012)；徐树秋(济南山东省假肢矫形康复中心)
关键词：
中国康复医学杂志000212 1 气动膝关节的总体结构
气动膝关节由一个四连杆机构和阻尼气缸组成(图1)。根据人体膝关节的转动范围小于180°的要求，四连杆机构可采用双摇杆结构，为保证模拟人体站立时承重的稳定性，应对摇杆的转动方向加以限制，只能从限制点开始，顺时针方向转动和逆时针方向返回限制点，限制点恰好是人处于站立状态的位置。四连杆机构为低幅运动，磨损小，能满足长期使用的要求，连杆机构简单、体积小、重量轻，适合假肢的要求。缸体的设计可按常规气缸的设计要求进行，承压按0.6～1MPa设计即可满足60～80kg体重的需要。阻尼器可设计在缸体上，亦可设计在活塞上。
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图1 气压膝关节总体结构简图
2 阻尼器的设计计算
阻尼器的结构有两种形式：一种是无关闭速度的阻尼器，一种是有关闭速度的阻尼器。对于假肢康复行业，阻尼器承受冲击质量较小，为了结构和设计计算的方便，还是采用无关闭速度的阻尼器。无关闭速度阻尼器的载荷-位移曲线如图2所示。纵坐标为冲击载荷F，横坐标为位移速度v，两者呈抛物线关系。阻尼器的主要参数有：阻尼器最大冲击负载Fmax，阻尼器开启压力Pmin，阻尼器关闭力F，阻尼器的响应频率f，阻尼器响应时间Δt。
2.1 阻尼器的设计
最大冲击负载Fmax：可按标准承重的1.5～2倍考虑；阻尼器开启压力Pmin：Pmin≤0.2MPa；阻尼器关闭动力F：F= Pmin.A(N)；阻尼器的响应频率f：f=3Hz；阻尼器响应时间Δt：Δt<50ms。阻尼器采用人工可调的可变节流孔，根据流体连续性方程，通过节流口的流速(m/s)
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图2 无关闭速度阻尼器的载荷—位移曲线
(1)由连续性方程
Qm＝ρvA (2)
和密度方程
(3)得到通过节流孔流体的质量流量(kg/s)公式为：
(4)其中，A：节流孔有效面积(m2)；p0：节流孔上游气体绝对压力(Pa)；p：节流孔下游气体绝对压力(Pa)；μ：流量系数；ρ0：节流孔上游气体密度(kg/m3)；ρ：节流孔下游气体密度(kg/m3)；T0：节流孔上游气体绝对温度(K)；T：节流孔下游气体绝对温度(K)；R：气体常数〔N.m/(kg.K)〕；k：比热。由以上二式看出，流速和流量均是p/p0的函数，对于p/p0在0～1内的变化，分两种情况：(1) 当0
0≤0.528时，流速、流量不随p的变化而变化，流量(kg/s)为
(5)
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而流速为声速。(2)当0.528
0≤1时，气流为亚声速流，流速和流量分别按(1)式和(2)式计算，均随p/p0增大而减小。
这个结果说明，气动关节在屈曲和伸展开始时，因p/p0≤0.528，屈曲和伸展的速度基本恒定，随着动作的进行，p/p0逐渐增大，屈曲和伸展的速度逐渐减慢，起到良好的缓冲作用。
3 力平衡方程式
A缸.p0±(x+x0)k＝F.m (6)
其中，A缸：承压气缸活塞面积；p0：承压腔压力；x：活塞位移；x0：弹簧预调量；k：弹簧刚度系数；F：屈曲阻力或伸展阻力；m：折算系数，由四连杆机构形式确定。此式取“+”号时，F为屈曲力，随着活塞位移增大，人体屈曲角度增大，力臂变长，为保证人体平衡，屈曲阻力需要逐渐增大。取“-”号时，F为伸展力，当由屈曲力变为伸展力时，伸展阻力最大，随后逐渐减小。屈曲阻力和伸展阻力都可以通过弹簧改变预调量进行调整。
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4 结论
本文所介绍的气动膝关节除具有人体屈曲和伸展所要求的基本动作外，还具有启动平稳、阻力可调、速度可调的优点，是一个成熟和切实可行的设计，也是替代进口产品的首选产品。
5 参考文献
1 李建藩.气压传达系统动力学.华南理工大学出版社，1991.
2 王钧功.液压阻尼器研究.见：液压气动与密封.1998.1.
收稿日期：2000-01-20
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