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近日，機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院重大裝備設(shè)計(jì)與控制工程研究所郭為忠教授團(tuán)隊(duì)在仿生關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)領(lǐng)域取得新進(jìn)展，團(tuán)隊(duì)以人體膝關(guān)節(jié)的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)模式為生物模板，建立了仿生建模框架，提出了仿生關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)綜合方法，并開(kāi)發(fā)出具備復(fù)雜運(yùn)動(dòng)能力的新型單自由度變瞬心關(guān)節(jié)（VICR關(guān)節(jié)）。研究成果分別以“Bionic concept and synthesis methods of the biomimetic robot joint mechanism for accurately reproducing the motion pattern of the human knee joint”和“Unlocking complex motion in one DoF higher pairs: Concept, constraint, and form closure for varying instantaneous center of rotation (VICR) joints”為題，發(fā)表在國(guó)際機(jī)構(gòu)學(xué)期刊Mechanism and Machine Theory（MMT）上。論文第一作者均為博士生朱高晗，通訊作者為郭為忠教授。
生物關(guān)節(jié)與機(jī)器人關(guān)節(jié)存在顯著差異，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，股骨相對(duì)于脛骨的瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)中心不斷變化，呈現(xiàn)出典型的變瞬心運(yùn)動(dòng)模式，在機(jī)械系統(tǒng)的關(guān)節(jié)中準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)這類(lèi)復(fù)雜運(yùn)動(dòng)仍面臨技術(shù)挑戰(zhàn)。研究團(tuán)隊(duì)以機(jī)構(gòu)學(xué)理論為工具，深入解析人體膝關(guān)節(jié)生理結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)機(jī)制，提出受人體膝關(guān)節(jié)啟發(fā)的仿生關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)新理念：將脛股關(guān)節(jié)建模為共軛接觸的高副關(guān)節(jié)，將交叉韌帶等效為維持單自由度運(yùn)動(dòng)所需的約束，將附著肌肉等效為含輸入的運(yùn)動(dòng)鏈。該理念構(gòu)建了從生物關(guān)節(jié)“骨骼-韌帶-肌肉”到仿生關(guān)節(jié)“共軛高副+約束+主動(dòng)運(yùn)動(dòng)鏈”的映射范式，形成了仿生建模新框架，為實(shí)現(xiàn)復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的仿生關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。
在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步研究了仿生關(guān)節(jié)的機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)與綜合方法。針對(duì)仿生關(guān)節(jié)中的共軛高副，提出了高副關(guān)節(jié)的輪廓綜合方法，實(shí)現(xiàn)了面向目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的關(guān)節(jié)元素輪廓幾何設(shè)計(jì)。針對(duì)仿生關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，發(fā)展了以運(yùn)動(dòng)生成任務(wù)為導(dǎo)向的含高副機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)綜合方法，為具備高仿生性與運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確生成能力的仿生關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供了理論工具。基于所提出的概念與方法，研究發(fā)現(xiàn)并構(gòu)建了三種全新的四構(gòu)件仿生關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)，并驗(yàn)證了其結(jié)構(gòu)可行性與功能有效性。
基于所建立的仿生關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)方法，研究團(tuán)隊(duì)提出單自由度變瞬心關(guān)節(jié)（VICR關(guān)節(jié)）新概念。該新型關(guān)節(jié)以“多點(diǎn)接觸+單自由度運(yùn)動(dòng)”為核心設(shè)計(jì)理念，通過(guò)關(guān)節(jié)元素輪廓的幾何設(shè)計(jì)，在僅保留一個(gè)自由度的前提下實(shí)現(xiàn)了變瞬心復(fù)雜關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，兼具結(jié)構(gòu)緊湊性與運(yùn)動(dòng)靈活性，有效突破了目前單自由度關(guān)節(jié)難以實(shí)現(xiàn)人體關(guān)節(jié)復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的技術(shù)難題。
在性能分析方面，研究團(tuán)隊(duì)基于旋量理論引入廣義壓力角指標(biāo)，系統(tǒng)評(píng)價(jià)了VICR關(guān)節(jié)在不同接觸點(diǎn)數(shù)量條件下的約束能力。同時(shí)，研究提出了約束性能的幾何化表征方法，將仿生關(guān)節(jié)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)-力約束關(guān)系轉(zhuǎn)化為接觸輪廓法線之間的幾何關(guān)系，為關(guān)節(jié)元素的輪廓設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供了理論工具。
針對(duì)高副結(jié)構(gòu)固有的接觸脫離問(wèn)題，團(tuán)隊(duì)探究了高副關(guān)節(jié)的形封閉機(jī)制，提出三條等價(jià)的形封閉準(zhǔn)則，證明得出“在二維平面運(yùn)動(dòng)中至少需要三點(diǎn)同時(shí)接觸才能實(shí)現(xiàn)VICR關(guān)節(jié)的形封閉”的論斷。在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)建立了關(guān)節(jié)封閉空間的可視化分析方法，為設(shè)計(jì)階段預(yù)判和保障關(guān)節(jié)的封閉性提供了系統(tǒng)化依據(jù)。
團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了理論的應(yīng)用驗(yàn)證工作，以人體膝關(guān)節(jié)矢狀面運(yùn)動(dòng)的復(fù)現(xiàn)為示例，系統(tǒng)展示了三種典型VICR關(guān)節(jié)的元素輪廓設(shè)計(jì)、約束性能分析與形封閉能力判定的完整流程，并通過(guò)實(shí)物試驗(yàn)驗(yàn)證了所提方法的可行性與有效性。
通過(guò)系統(tǒng)研究，研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了涵蓋仿生設(shè)計(jì)新理念、仿生關(guān)節(jié)綜合與性能評(píng)價(jià)的系統(tǒng)化方法體系，為復(fù)現(xiàn)人體關(guān)節(jié)復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的仿生關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)提供了新范式。在此基礎(chǔ)上研究提出了一種新型的單自由度變瞬心關(guān)節(jié)，既豐富了平面關(guān)節(jié)類(lèi)型，也為外骨骼、假肢等人機(jī)相容裝置的關(guān)節(jié)仿生設(shè)計(jì)提供了理論方法與工具。
郭為忠教授團(tuán)隊(duì)致力于解決現(xiàn)代機(jī)構(gòu)學(xué)與并聯(lián)機(jī)器人領(lǐng)域的前沿基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題及其關(guān)鍵技術(shù)，旨在通過(guò)基礎(chǔ)理論突破，推動(dòng)機(jī)器人與航空航天等重大工程應(yīng)用領(lǐng)域的裝備創(chuàng)新發(fā)展，近年來(lái)在Mechanism and Machine Theory、ASME Transactions-Journal of Mechanisms and Robotics、ASME Transactions-Journal of Mechanical Design、IEEE Transactions on Robotics期刊發(fā)表研究論文30余篇。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.mechmachtheory.2024.105832
https://doi.org/10.1016/j.mechmachtheory.2025.106154
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