本發(fā)明涉及機(jī)械仿生工程技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種可應(yīng)用于機(jī)器人、假肢等領(lǐng)域的基于張拉整體結(jié)構(gòu)的仿生膝關(guān)節(jié)。

背景技術(shù)：
世界范圍內(nèi)有關(guān)機(jī)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(jī)器人的關(guān)節(jié)(髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)與踝關(guān)節(jié)等)均被簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)為鉸連接。由于機(jī)器人關(guān)節(jié)在運(yùn)動(dòng)中往往承受拉壓、剪切、彎曲和扭轉(zhuǎn)等多種類型載荷的作用，進(jìn)而需要施加驅(qū)動(dòng)與復(fù)雜控制來實(shí)時(shí)維持關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性，同時(shí)，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(dǎo)致該類型機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)復(fù)雜進(jìn)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(dòng)物的肢體具有精細(xì)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(guān)節(jié)并保證關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性；肌肉主動(dòng)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(guān)節(jié)性運(yùn)動(dòng)。從生物力學(xué)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(dòng)物的腿部骨骼-肌肉系統(tǒng)可視為是由具有空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特征的受拉的韌帶、肌肉、肌腱組織與受壓骨骼構(gòu)成的有機(jī)體，是一種存在于生物體的特殊“張拉整體結(jié)構(gòu)”。張拉整體結(jié)構(gòu)的概念由美國(guó)結(jié)構(gòu)工程師Fuller于20世紀(jì)40年代首次提出，是指由非連續(xù)受壓構(gòu)件包含于連續(xù)受拉構(gòu)件而形成的一種自平衡空間穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。之后，眾多結(jié)構(gòu)力學(xué)研究者對(duì)這一新型結(jié)構(gòu)的理論與技術(shù)進(jìn)行了探索與研究，目前其被成功應(yīng)用于結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域。近年來，隨著多學(xué)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(xué)與仿生機(jī)器人領(lǐng)域研究者的重視，其內(nèi)涵也進(jìn)一步被拓展。比利時(shí)根特大學(xué)的研究表明基于張拉整體的蛇形機(jī)器人僅采用線性控制即可維持其步態(tài)運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性。美國(guó)國(guó)家航空航天局埃姆斯研究中心開發(fā)了張拉柔性機(jī)器人用于深空探測(cè)。由此可知，張拉整體結(jié)構(gòu)已然成為生物力學(xué)與機(jī)器人領(lǐng)域最為活躍的研究方向之一，這與該結(jié)構(gòu)體系本身所具備的柔性和自應(yīng)力自平衡特性有著緊密聯(lián)系。而這些特性又可能與機(jī)器人的節(jié)能運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)，柔性可使得機(jī)器人腿部關(guān)節(jié)在運(yùn)動(dòng)中能夠從容應(yīng)對(duì)足-地沖擊載荷，減小關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)負(fù)擔(dān)，同時(shí)柔性代替剛性連接使關(guān)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(guān)節(jié)的穩(wěn)定性。綜觀上述機(jī)器人關(guān)節(jié)、張拉整體結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀及動(dòng)物關(guān)節(jié)的優(yōu)異生物力學(xué)結(jié)構(gòu)特征，急需一種張拉整體仿生膝關(guān)節(jié)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有的機(jī)器人所使用的剛性鉸鏈關(guān)節(jié)易摩擦、磨損導(dǎo)致關(guān)節(jié)失效、維持關(guān)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(guān)節(jié)。試驗(yàn)表明，該基于張拉整體結(jié)構(gòu)的仿生膝關(guān)節(jié)能夠較好的完成關(guān)節(jié)在矢狀平面內(nèi)的擺動(dòng)，由于采用了張拉整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，該關(guān)節(jié)整體組成包括僅受拉構(gòu)件和剛性僅受壓構(gòu)件，不存在剛性元件間的摩擦與沖擊作用問題，同時(shí)，由張拉整體結(jié)構(gòu)本身具有自穩(wěn)定性，可使應(yīng)用本發(fā)明的機(jī)器人減少維持關(guān)節(jié)穩(wěn)定所帶來的能耗。本發(fā)明包含第一剛性受壓?jiǎn)卧?、拉索單元及第二剛性受壓?jiǎn)卧?。所述的第一剛性受壓?jiǎn)卧傻谝粍傂允軌簡(jiǎn)卧黧w、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(duì)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?jiǎn)卧黧w上。兩組對(duì)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?jiǎn)卧黧w上。一對(duì)對(duì)稱分布的第三支撐桿由兩對(duì)第五螺釘固定在兩組第一支撐桿之間，以增強(qiáng)整體的支撐剛度。四個(gè)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(guān)節(jié)十字交叉韌帶的排布特點(diǎn)，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?jiǎn)卧黧w與第二剛性受壓?jiǎn)卧黧w之間。成對(duì)使用的仿生副韌帶，對(duì)稱布置在第一剛性受壓?jiǎn)卧黧w與第二剛性受壓?jiǎn)卧黧w兩側(cè)，由第三螺釘固定于第一剛性受壓?jiǎn)卧古_(tái)和第二剛性受壓?jiǎn)卧古_(tái)上。成對(duì)使用且對(duì)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(duì)使用的第十螺釘使第一拉索的中部固定在第二剛性受壓?jiǎn)卧黧w的頂端。同樣成對(duì)使用且對(duì)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(shí)通過成對(duì)使用的第八螺釘使第二拉索的中部固定在第二剛性受壓?jiǎn)卧古_(tái)的內(nèi)側(cè)。本發(fā)明的工作過程和原理：在具體的使用過程中，第一剛性受壓?jiǎn)卧?、拉索單元與第二剛性受壓?jiǎn)卧獦?gòu)成基于張拉整體的仿生關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)中間通過拉索單元的使用，在實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)功能的同時(shí)避免了關(guān)節(jié)中間剛性連接軸的存在，使關(guān)節(jié)在運(yùn)動(dòng)時(shí)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(guān)節(jié)的十字交叉韌帶，限制關(guān)節(jié)擺動(dòng)的幅度。成對(duì)使用的仿生副韌帶模擬人類膝關(guān)節(jié)中腓側(cè)副韌帶和脛側(cè)副韌帶的作用，避免關(guān)節(jié)沿非運(yùn)動(dòng)平面過度擺動(dòng)，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(guān)節(jié)的矢狀面運(yùn)動(dòng)功能得以實(shí)現(xiàn)。這里，仿生副韌帶發(fā)揮抑制第一剛性受壓?jiǎn)卧c第二剛性受壓?jiǎn)卧畴x運(yùn)動(dòng)的作用，而第一拉索、第二拉索發(fā)揮抑制第一剛性受壓?jiǎn)卧c第二剛性受壓?jiǎn)卧拷淖饔?，同時(shí)使用第一拉索、第二拉索可以提高關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性。本發(fā)明的有益效果：1、本發(fā)明通過模擬人體膝關(guān)節(jié)中的十字交叉韌帶、腓側(cè)副韌帶和脛側(cè)副韌帶的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)張拉整體膝關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)，同時(shí)起到限制仿生關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)范圍的目的。2、本發(fā)明通過張拉整體結(jié)構(gòu)能夠很好地實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)在矢狀平面內(nèi)的擺動(dòng)，同時(shí)關(guān)節(jié)在運(yùn)動(dòng)時(shí)不存在任何剛性體之間的摩擦、磨損與沖擊作用，提高了關(guān)節(jié)穩(wěn)定性與壽命。3、本發(fā)明具有一定的自穩(wěn)定性，若應(yīng)用到機(jī)器人關(guān)節(jié)中，可減少機(jī)器人為維持自身關(guān)節(jié)穩(wěn)定所消耗的能量，提高機(jī)體整體能效。附圖說明圖1為本發(fā)明的立體示意圖。圖2為本發(fā)明的主視圖。圖3為本發(fā)明的仿生十字交叉韌帶的局部視圖。圖4為本發(fā)明的左視圖。其中：1-第一剛性受壓?jiǎn)卧?1-第一剛性受壓?jiǎn)卧黧w；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?jiǎn)卧古_(tái)；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?jiǎn)卧?1-第八螺釘；32-第二剛性受壓?jiǎn)卧古_(tái)；33-第九螺釘；34-第二剛性受壓?jiǎn)卧黧w；35-第十螺釘。具體實(shí)施方式請(qǐng)參閱圖1、圖2、圖3及圖4所示，本實(shí)施例包含第一剛性受壓?jiǎn)卧?、拉索單元2及第二剛性受壓?jiǎn)卧?。所述的第一剛性受壓?jiǎn)卧?由第一剛性受壓?jiǎn)卧黧w11、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(duì)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?jiǎn)卧黧w11上；兩組對(duì)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?jiǎn)卧黧w11上；一對(duì)對(duì)稱分布的第三支撐桿19由兩對(duì)第五螺釘120固定在兩組第一支撐桿12之間，以增強(qiáng)整體的支撐剛度；四個(gè)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(guān)節(jié)十字交叉韌帶的排布特點(diǎn)，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?jiǎn)卧黧w11與第二剛性受壓?jiǎn)卧黧w34之間；成對(duì)使用的仿生副韌帶23對(duì)稱布置在第一剛性受壓?jiǎn)卧黧w11與第二剛性受壓?jiǎn)卧黧w34兩側(cè)，由第三螺釘15固定于第一剛性受壓?jiǎn)卧古_(tái)16和第二剛性受壓?jiǎn)卧古_(tái)32上；成對(duì)使用且對(duì)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(duì)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?jiǎn)卧黧w34的頂端；成對(duì)使用且對(duì)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(shí)通過成對(duì)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?jiǎn)卧古_(tái)32的內(nèi)側(cè)。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(shí)施例的工作過程和原理：本發(fā)明在使用過程中，第一剛性受壓?jiǎn)卧?、拉索單元2與第二剛性受壓?jiǎn)卧?構(gòu)成基于張拉整體的仿生關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)中間通過拉索單元2的使用，在實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)功能的同時(shí)避免了關(guān)節(jié)中間剛性連接軸的存在，使關(guān)節(jié)在運(yùn)動(dòng)時(shí)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(guān)節(jié)的十字交叉韌帶，限制關(guān)節(jié)擺動(dòng)的幅度。成對(duì)使用的仿生副韌帶23模擬人類膝關(guān)節(jié)中腓側(cè)副韌帶和脛側(cè)副韌帶的作用，避免關(guān)節(jié)沿非運(yùn)動(dòng)平面過度擺動(dòng)，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(guān)節(jié)的矢狀面運(yùn)動(dòng)功能得以實(shí)現(xiàn)。這里，仿生副韌帶23發(fā)揮抑制第一剛性受壓?jiǎn)卧?與第二剛性受壓?jiǎn)卧?背離運(yùn)動(dòng)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?jiǎn)卧?與第二剛性受壓?jiǎn)卧?靠近的作用。同時(shí)使用第一拉索24、第二拉索25可以提高關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性。