一、引言1.1研究背景與意義肘關(guān)節(jié)作為人體上肢的關(guān)鍵關(guān)節(jié)，在日常生活和各類活動(dòng)中扮演著舉足輕重的角色。它不僅連接著上臂和前臂，使得上肢能夠完成屈伸、旋轉(zhuǎn)等豐富多樣的動(dòng)作，還在力量傳遞和運(yùn)動(dòng)控制方面發(fā)揮著核心作用。無論是簡單的抓握、持物，還是復(fù)雜的書寫、繪畫、投擲等動(dòng)作，都離不開肘關(guān)節(jié)的精準(zhǔn)配合。據(jù)統(tǒng)計(jì)，人體日常活動(dòng)中超過70%的動(dòng)作都涉及到肘關(guān)節(jié)的參與，其重要性不言而喻。然而，肘關(guān)節(jié)也極易受到各種損傷和疾病的困擾。在運(yùn)動(dòng)損傷方面，如網(wǎng)球肘、高爾夫球肘等，都是由于長期重復(fù)性的過度使用肘關(guān)節(jié)，導(dǎo)致肘部肌肉、肌腱和韌帶受損，進(jìn)而引發(fā)疼痛和功能障礙。數(shù)據(jù)顯示，在網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)員中，約有30%-50%的人在職業(yè)生涯中會(huì)受到網(wǎng)球肘的影響。在軍事作戰(zhàn)中，士兵們執(zhí)行高強(qiáng)度的作戰(zhàn)任務(wù)時(shí)，肘關(guān)節(jié)承受著巨大的壓力，容易出現(xiàn)扭傷、拉傷等損傷。在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，工人長時(shí)間進(jìn)行重復(fù)性的機(jī)械操作，也會(huì)增加肘關(guān)節(jié)受傷的風(fēng)險(xiǎn)。這些損傷不僅會(huì)給患者帶來身體上的痛苦，還會(huì)嚴(yán)重影響他們的日常生活和工作能力，降低生活質(zhì)量。對(duì)于肘關(guān)節(jié)損傷或功能障礙的患者，康復(fù)治療是恢復(fù)其關(guān)節(jié)功能的關(guān)鍵手段。傳統(tǒng)的康復(fù)治療方法主要依賴于物理治療師的手動(dòng)操作和患者的自主訓(xùn)練，存在著治療效果有限、治療時(shí)間長等問題。隨著科技的不斷進(jìn)步，康復(fù)機(jī)器人逐漸成為肘關(guān)節(jié)康復(fù)治療的重要工具。康復(fù)機(jī)器人能夠提供精準(zhǔn)、個(gè)性化的康復(fù)訓(xùn)練方案，幫助患者進(jìn)行有針對(duì)性的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練，提高康復(fù)效果。而被動(dòng)無源剛度自調(diào)節(jié)單元作為康復(fù)機(jī)器人的核心部件，其性能直接影響著康復(fù)治療的質(zhì)量和效果。在人機(jī)交互領(lǐng)域，隨著可穿戴設(shè)備和外骨骼機(jī)器人的發(fā)展，對(duì)肘關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)控制和力學(xué)性能提出了更高的要求。被動(dòng)無源剛度自調(diào)節(jié)單元能夠使這些設(shè)備更好地適應(yīng)人體的運(yùn)動(dòng)需求，提高人機(jī)協(xié)同的效率和安全性。在工業(yè)制造中，協(xié)作機(jī)器人與人類共同工作時(shí)，需要具備良好的柔順性和適應(yīng)性，以避免對(duì)操作人員造成傷害。通過應(yīng)用被動(dòng)無源剛度自調(diào)節(jié)單元，可以使協(xié)作機(jī)器人在接觸人體時(shí)，自動(dòng)調(diào)整剛度，實(shí)現(xiàn)安全、高效的協(xié)作。在日常生活輔助中，可穿戴外骨骼設(shè)備能夠幫助老年人或殘疾人增強(qiáng)肢體力量，提高行動(dòng)能力。被動(dòng)無源剛度自調(diào)節(jié)單元的應(yīng)用，可以使這些設(shè)備更加貼合人體的運(yùn)動(dòng)習(xí)慣，提供更加自然、舒適的助力。研究面向肘關(guān)節(jié)的被動(dòng)無源剛度自調(diào)節(jié)單元具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。它能夠?yàn)橹怅P(guān)節(jié)損傷患者提供更有效的康復(fù)治療手段，幫助他們更快地恢復(fù)關(guān)節(jié)功能，重返正常生活。它還能推動(dòng)人機(jī)交互技術(shù)的發(fā)展，提高可穿戴設(shè)備和外骨骼機(jī)器人的性能，為人們的生活和工作帶來更多的便利和安全保障。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在國外，肘關(guān)節(jié)被動(dòng)無源剛度自調(diào)節(jié)單元的研究開展較早，取得了一系列具有影響力的成果。美國斯坦福大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)基于彈性元件和機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，研發(fā)出一款能夠根據(jù)肘關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)自動(dòng)調(diào)節(jié)剛度的裝置。該裝置通過巧妙的機(jī)械結(jié)構(gòu)，將彈性元件的彈性勢能轉(zhuǎn)化為關(guān)節(jié)所需的剛度，實(shí)現(xiàn)了在不同運(yùn)動(dòng)模式下的剛度自適應(yīng)調(diào)節(jié)。在實(shí)際應(yīng)用中，該裝置能夠有效降低使用者在運(yùn)動(dòng)過程中的能量消耗，提高運(yùn)動(dòng)效率。在一項(xiàng)針對(duì)手臂康復(fù)訓(xùn)練的實(shí)驗(yàn)中，使用該裝置的患者在完成相同訓(xùn)練任務(wù)時(shí)，能量消耗相比未使用裝置的患者降低了約20%。日本的科研人員則側(cè)重于從材料科學(xué)的角度出發(fā)，開發(fā)新型的智能材料用于肘關(guān)節(jié)剛度調(diào)節(jié)。他們研發(fā)的一種新型形狀記憶合金材料，能夠在溫度變化的刺激下，快速改變自身的剛度特性。基于這種材料制作的肘關(guān)節(jié)剛度調(diào)節(jié)單元，能夠?qū)崟r(shí)響應(yīng)人體的運(yùn)動(dòng)需求，實(shí)現(xiàn)剛度的快速切換。在實(shí)際測試中，該材料在溫度變化10℃的情況下，剛度能夠在0.5秒內(nèi)實(shí)現(xiàn)50%的變化，展現(xiàn)出了優(yōu)異的響應(yīng)速度。歐洲的研究機(jī)構(gòu)則更注重多學(xué)科交叉融合，將生物力學(xué)、控制理論和機(jī)械設(shè)計(jì)相結(jié)合，開展對(duì)肘關(guān)節(jié)被動(dòng)無源剛度自調(diào)節(jié)單元的研究。德國的一個(gè)研究小組通過對(duì)人體肘關(guān)節(jié)生物力學(xué)特性的深入研究，建立了精確的肘關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)模型，并基于此模型設(shè)計(jì)了一種自適應(yīng)控制的剛度調(diào)節(jié)系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠根據(jù)人體運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)狀態(tài)，自動(dòng)調(diào)整剛度，以提供最佳的運(yùn)動(dòng)支持。在模擬不同運(yùn)動(dòng)場景的實(shí)驗(yàn)中，該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地根據(jù)運(yùn)動(dòng)需求調(diào)整剛度，使關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)更加自然、流暢。在國內(nèi)，隨著對(duì)康復(fù)機(jī)器人和人機(jī)交互技術(shù)研究的不斷深入，肘關(guān)節(jié)被動(dòng)無源剛度自調(diào)節(jié)單元的研究也逐漸受到關(guān)注。清華大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)提出了一種基于磁流變液的肘關(guān)節(jié)剛度調(diào)節(jié)方法。磁流變液是一種新型智能材料，在外加磁場的作用下，其粘度和剛度能夠發(fā)生顯著變化。該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的肘關(guān)節(jié)剛度調(diào)節(jié)單元利用磁流變液的這一特性，通過控制磁場強(qiáng)度來實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)節(jié)剛度的精確調(diào)節(jié)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該單元能夠在0.1秒內(nèi)完成剛度的切換，響應(yīng)速度快，調(diào)節(jié)精度高。上海交通大學(xué)的研究人員則致力于研發(fā)一種輕量化、低成本的肘關(guān)節(jié)被動(dòng)無源剛度自調(diào)節(jié)單元。他們采用新型的復(fù)合材料和優(yōu)化的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在保證單元性能的前提下，有效降低了其重量和成本。在實(shí)際應(yīng)用中，該單元的重量相比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)減輕了約30%，成本降低了20%，具有良好的市場推廣前景。然而，目前國內(nèi)外的研究仍存在一些不足之處。部分研究成果在實(shí)際應(yīng)用中，存在剛度調(diào)節(jié)范圍有限的問題。在一些高強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)或復(fù)雜工作場景下，現(xiàn)有的剛度調(diào)節(jié)單元無法滿足人體對(duì)不同剛度的需求。某些調(diào)節(jié)單元的響應(yīng)速度較慢，不能及時(shí)根據(jù)人體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化調(diào)整剛度，導(dǎo)致人機(jī)協(xié)同效果不佳。在材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，也存在一些問題，如材料的耐久性不足、結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性有待提高等。這些問題限制了肘關(guān)節(jié)被動(dòng)無源剛度自調(diào)節(jié)單元的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用，需要在后續(xù)的研究中加以解決。1.3研究目標(biāo)與內(nèi)容本研究旨在設(shè)計(jì)并開發(fā)一種新型的面向肘關(guān)節(jié)的被動(dòng)無源剛度自調(diào)節(jié)單元，以滿足康復(fù)治療、人機(jī)交互等領(lǐng)域?qū)χ怅P(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)控制和力學(xué)性能的嚴(yán)格要求。通過深入研究肘關(guān)節(jié)的生物力學(xué)特性和運(yùn)動(dòng)需求，運(yùn)用創(chuàng)新的設(shè)計(jì)理念和先進(jìn)的材料技術(shù)，實(shí)現(xiàn)剛度自調(diào)節(jié)單元在不同工況下的高效、精準(zhǔn)調(diào)節(jié)，為相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展提供關(guān)鍵技術(shù)支持。在原理分析方面，深入探究肘關(guān)節(jié)的生物力學(xué)特性，全面了解其在不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的受力情況、運(yùn)動(dòng)范圍以及穩(wěn)定性需求。詳細(xì)分析現(xiàn)有的被動(dòng)無源剛度調(diào)節(jié)原理，如基于彈性元件的變形、機(jī)械結(jié)構(gòu)的切換等，深入剖析每種原理的優(yōu)缺點(diǎn)及其適用場景。在此基礎(chǔ)上，創(chuàng)新性地提出一種融合多種調(diào)節(jié)機(jī)制的新型原理，以實(shí)現(xiàn)更廣泛的剛度調(diào)節(jié)范圍和更快速的響應(yīng)速度。通過建立數(shù)學(xué)模型和仿真分析，深入研究新型原理的工作特性和性能參數(shù)，為后續(xù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，基于所提出的原理，精心設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)緊湊、易于安裝和調(diào)節(jié)的被動(dòng)無源剛度自調(diào)節(jié)單元。該單元主要由彈性元件、機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)裝置等部分組成。在彈性元件的選擇上，充分考慮材料的彈性模量、疲勞壽命和穩(wěn)定性等因素，通過對(duì)多種材料的性能對(duì)比和實(shí)驗(yàn)測試，選用新型的高性能彈性材料，如形狀記憶合金、智能復(fù)合材料等，以提高剛度調(diào)節(jié)的精度和可靠性。機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)則采用優(yōu)化的齒輪傳動(dòng)、連桿機(jī)構(gòu)等，確保力的有效傳遞和精確控制。調(diào)節(jié)裝置設(shè)計(jì)為手動(dòng)和自動(dòng)兩種模式，以滿足不同用戶的需求。手動(dòng)模式便于用戶根據(jù)自身感受和需求進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，自動(dòng)模式則通過傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測肘關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并根據(jù)預(yù)設(shè)的算法自動(dòng)調(diào)整剛度。運(yùn)用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）和計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）技術(shù)，對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化和驗(yàn)證，確保結(jié)構(gòu)的合理性和可靠性。通過對(duì)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料參數(shù)的模擬分析，找到最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案，提高單元的整體性能。完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，需要對(duì)其進(jìn)行性能測試。搭建高精度的實(shí)驗(yàn)測試平臺(tái)，運(yùn)用先進(jìn)的傳感器技術(shù)，如力傳感器、位移傳感器、加速度傳感器等，對(duì)被動(dòng)無源剛度自調(diào)節(jié)單元的剛度調(diào)節(jié)范圍、響應(yīng)速度、穩(wěn)定性等關(guān)鍵性能指標(biāo)進(jìn)行全面、準(zhǔn)確的測試。在不同的運(yùn)動(dòng)模式和負(fù)載條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，模擬實(shí)際應(yīng)用中的各種工況，獲取真實(shí)可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析和仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，深入分析誤差產(chǎn)生的原因，并對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。通過不斷地實(shí)驗(yàn)測試和優(yōu)化，使單元的性能達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。除了上述內(nèi)容，本研究還將對(duì)其應(yīng)用進(jìn)行探索。將被動(dòng)無源剛度自調(diào)節(jié)單元集成到康復(fù)機(jī)器人和可穿戴設(shè)備中，進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用測試。在康復(fù)治療中，與專業(yè)的康復(fù)醫(yī)師合作，針對(duì)肘關(guān)節(jié)損傷患者制定個(gè)性化的康復(fù)訓(xùn)練方案，通過長期的臨床實(shí)驗(yàn)，評(píng)估單元對(duì)患者康復(fù)效果的影響，收集患者的反饋意見，進(jìn)一步優(yōu)化單元的性能和應(yīng)用方案。在人機(jī)交互領(lǐng)域，測試單元在不同工作場景下的人機(jī)協(xié)同性能，如工業(yè)制造中的協(xié)作機(jī)器人與人類的協(xié)作、日常生活輔助中可穿戴外骨骼設(shè)備對(duì)人體運(yùn)動(dòng)的助力等。通過實(shí)際應(yīng)用，驗(yàn)證單元的有效性和實(shí)用性，為其推廣應(yīng)用提供實(shí)踐依據(jù)。1.4研究方法與技術(shù)路線本研究綜合運(yùn)用理論分析、仿真模擬和實(shí)驗(yàn)測試等多種研究方法，確保研究的全面性、準(zhǔn)確性和可靠性，以實(shí)現(xiàn)對(duì)面向肘關(guān)節(jié)的被動(dòng)無源剛度自調(diào)節(jié)單元的深入探究和優(yōu)化設(shè)計(jì)。在理論分析方面，深入研究肘關(guān)節(jié)的生物力學(xué)特性，包括關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)以及肌肉骨骼系統(tǒng)的相互作用。通過查閱大量的醫(yī)學(xué)文獻(xiàn)和生物力學(xué)研究資料，獲取肘關(guān)節(jié)在不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的詳細(xì)數(shù)據(jù)，如關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)范圍、受力分布、肌肉的激活模式等。運(yùn)用運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)原理，建立肘關(guān)節(jié)的數(shù)學(xué)模型，對(duì)其運(yùn)動(dòng)和受力進(jìn)行精確的分析和計(jì)算。在分析現(xiàn)有被動(dòng)無源剛度調(diào)節(jié)原理時(shí)，運(yùn)用機(jī)械原理、材料力學(xué)等知識(shí)，深入剖析每種原理的工作機(jī)制和性能特點(diǎn)。對(duì)比不同原理在剛度調(diào)節(jié)范圍、響應(yīng)速度、穩(wěn)定性等方面的優(yōu)劣，為提出新型的調(diào)節(jié)原理提供理論依據(jù)。基于理論分析的結(jié)果，提出一種融合多種調(diào)節(jié)機(jī)制的新型原理。運(yùn)用數(shù)學(xué)工具對(duì)新型原理進(jìn)行建模和分析，推導(dǎo)相關(guān)的數(shù)學(xué)公式和參數(shù)關(guān)系，深入研究其工作特性和性能參數(shù)，為后續(xù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。在仿真模擬方面，借助先進(jìn)的計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）軟件，如ANSYS、ADAMS等，對(duì)被動(dòng)無源剛度自調(diào)節(jié)單元進(jìn)行多物理場耦合仿真分析。在結(jié)構(gòu)力學(xué)仿真中，模擬單元在不同載荷和工況下的應(yīng)力、應(yīng)變分布，評(píng)估結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確保其在實(shí)際應(yīng)用中的可靠性和穩(wěn)定性。通過流體力學(xué)仿真，研究單元內(nèi)部的流體流動(dòng)特性，優(yōu)化流體通道設(shè)計(jì)，提高單元的響應(yīng)速度和調(diào)節(jié)精度。利用多體動(dòng)力學(xué)仿真，模擬單元在不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的動(dòng)力學(xué)行為，分析其運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性和協(xié)調(diào)性，為控制策略的制定提供參考。在建立單元的虛擬樣機(jī)模型時(shí)，精確模擬其機(jī)械結(jié)構(gòu)、材料特性和控制算法。通過虛擬樣機(jī)，對(duì)單元在各種實(shí)際工況下的性能進(jìn)行全面的測試和評(píng)估，包括剛度調(diào)節(jié)范圍、響應(yīng)速度、穩(wěn)定性等關(guān)鍵指標(biāo)。根據(jù)虛擬樣機(jī)的測試結(jié)果，對(duì)單元的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，減少實(shí)際實(shí)驗(yàn)的次數(shù)和成本，提高研發(fā)效率。在實(shí)驗(yàn)測試方面，搭建高精度的實(shí)驗(yàn)測試平臺(tái)，對(duì)被動(dòng)無源剛度自調(diào)節(jié)單元的性能進(jìn)行全面、準(zhǔn)確的測試。平臺(tái)主要包括加載系統(tǒng)、測量系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。加載系統(tǒng)能夠模擬各種實(shí)際工況下的載荷，如不同大小和方向的力、扭矩等。測量系統(tǒng)采用先進(jìn)的傳感器技術(shù)，如高精度力傳感器、位移傳感器、加速度傳感器等，實(shí)時(shí)監(jiān)測單元的各項(xiàng)性能參數(shù)。控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)過程的自動(dòng)化控制和數(shù)據(jù)采集，確保實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性。在測試過程中，對(duì)單元的剛度調(diào)節(jié)范圍、響應(yīng)速度、穩(wěn)定性等關(guān)鍵性能指標(biāo)進(jìn)行嚴(yán)格測試。通過改變實(shí)驗(yàn)條件，如載荷大小、運(yùn)動(dòng)速度、環(huán)境溫度等，獲取單元在不同工況下的性能數(shù)據(jù)。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析和仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，深入分析誤差產(chǎn)生的原因，對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，確保單元的性能滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。本研究的技術(shù)路線如圖1-1所示。首先，進(jìn)行廣泛的文獻(xiàn)調(diào)研，深入了解肘關(guān)節(jié)的生物力學(xué)特性和現(xiàn)有被動(dòng)無源剛度調(diào)節(jié)單元的研究現(xiàn)狀，明確研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，提出新型的被動(dòng)無源剛度自調(diào)節(jié)單元的設(shè)計(jì)原理和方案。運(yùn)用理論分析和仿真模擬相結(jié)合的方法，對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化和驗(yàn)證，確定最佳的設(shè)計(jì)參數(shù)。根據(jù)優(yōu)化后的設(shè)計(jì)方案，制作單元的樣機(jī)，并進(jìn)行性能測試。根據(jù)測試結(jié)果，對(duì)樣機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化和改進(jìn)。最后，將優(yōu)化后的單元集成到康復(fù)機(jī)器人和可穿戴設(shè)備中，進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用測試，驗(yàn)證其在實(shí)際場景中的有效性和實(shí)用性。[此處插入技術(shù)路線圖1-1]通過綜合運(yùn)用上述研究方法和技術(shù)路線，本研究有望實(shí)現(xiàn)對(duì)面向肘關(guān)節(jié)的被動(dòng)無源剛度自調(diào)節(jié)單元的關(guān)鍵技術(shù)突破，為肘關(guān)節(jié)康復(fù)治療和人機(jī)交互等領(lǐng)域的發(fā)展提供重要的技術(shù)支持和創(chuàng)新方案。二、肘關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)與生物力學(xué)基礎(chǔ)2.1肘關(guān)節(jié)的解剖結(jié)構(gòu)肘關(guān)節(jié)是連接上臂與前臂的重要關(guān)節(jié)，由肱骨下端、尺骨上端和橈骨上端構(gòu)成，屬于復(fù)合關(guān)節(jié)，主要包含肱尺關(guān)節(jié)、肱橈關(guān)節(jié)和橈尺近側(cè)關(guān)節(jié)這三個(gè)關(guān)節(jié)，它們共同被包裹在一個(gè)關(guān)節(jié)囊內(nèi)。在骨骼結(jié)構(gòu)方面，肱骨是上臂的主要骨骼，其下端與肘關(guān)節(jié)相連。肱骨滑車呈滑車狀，與尺骨滑車切跡構(gòu)成肱尺關(guān)節(jié)，該關(guān)節(jié)是肘關(guān)節(jié)進(jìn)行屈伸運(yùn)動(dòng)的主要部位。肱骨小頭位于肱骨滑車外側(cè)，呈半球形，與橈骨頭關(guān)節(jié)凹構(gòu)成肱橈關(guān)節(jié)，參與肘關(guān)節(jié)的屈伸和前臂的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。尺骨是前臂的主要骨骼之一，其上端的滑車切跡與肱骨滑車相關(guān)節(jié)，構(gòu)成肱尺關(guān)節(jié)的重要部分。尺骨鷹嘴是尺骨上端后方的突起，在肘關(guān)節(jié)伸展時(shí)，可嵌入肱骨鷹嘴窩內(nèi)，起到限制肘關(guān)節(jié)過度伸展的作用。橈骨也是前臂的重要骨骼，其上端的橈骨頭呈圓盤狀，關(guān)節(jié)凹與肱骨小頭相關(guān)節(jié)，形成肱橈關(guān)節(jié)。橈骨頭的環(huán)狀關(guān)節(jié)面與尺骨的橈切跡構(gòu)成橈尺近側(cè)關(guān)節(jié)，使橈骨能夠繞尺骨進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)前臂的旋前和旋后功能。肘關(guān)節(jié)周圍的韌帶對(duì)于維持關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性起著至關(guān)重要的作用。內(nèi)側(cè)副韌帶位于肘關(guān)節(jié)囊內(nèi)側(cè)，起自肱骨內(nèi)上髁，呈扇形分3束止于尺骨滑車切跡內(nèi)側(cè)緣，分別為前束、后束和橫束。其中前束是獨(dú)立的結(jié)構(gòu)，是維持肘關(guān)節(jié)外翻穩(wěn)定性的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。外側(cè)副韌帶起于肱骨外上髁下部，向下延伸至橈骨環(huán)狀韌帶及橈骨外面和尺骨旋后肌嵴，主要穩(wěn)定肘關(guān)節(jié)的外側(cè)。在當(dāng)前臂處于旋后狀態(tài)時(shí)，外側(cè)副韌帶能夠有效阻止肱尺關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)分離和向后脫位，為肘關(guān)節(jié)提供后外側(cè)的旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性。橈骨環(huán)狀韌帶呈環(huán)形，由前后和外側(cè)三面環(huán)繞橈骨頭，兩端附著于尺骨的橈骨切跡前后緣。它對(duì)橈骨頭起到穩(wěn)定和約束作用，確保橈骨頭在尺骨的橈切跡內(nèi)正常轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)允許橈骨繞垂直軸作旋內(nèi)和旋外運(yùn)動(dòng)。肘關(guān)節(jié)周圍的肌肉為關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)提供動(dòng)力。肱二頭肌位于上臂前方，主要功能是屈肘關(guān)節(jié)，同時(shí)協(xié)助屈肩關(guān)節(jié)。當(dāng)肱二頭肌收縮時(shí)，可使前臂向上臂靠攏，實(shí)現(xiàn)肘關(guān)節(jié)的屈曲動(dòng)作。肱三頭肌位于上臂后方，主要作用是伸肘關(guān)節(jié)，也能協(xié)助伸肩關(guān)節(jié)。在進(jìn)行肘關(guān)節(jié)伸展運(yùn)動(dòng)時(shí)，肱三頭肌收縮，使前臂遠(yuǎn)離上臂。肱橈肌起于肱骨外上髁上方，止于橈骨莖突，主要功能是屈肘關(guān)節(jié)，在肘關(guān)節(jié)的屈伸運(yùn)動(dòng)中發(fā)揮重要作用。此外，還有旋前圓肌和旋后肌等，它們分別參與前臂的旋前和旋后運(yùn)動(dòng)。旋前圓肌收縮時(shí)，可使前臂向內(nèi)旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)旋前動(dòng)作；旋后肌收縮則使前臂向外旋轉(zhuǎn)，完成旋后動(dòng)作。這些肌肉相互協(xié)作，使肘關(guān)節(jié)能夠完成各種復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)，滿足人體日常生活和工作的需求。2.2肘關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征肘關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)形式豐富多樣，主要包括屈伸運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。屈伸運(yùn)動(dòng)主要發(fā)生在肱尺關(guān)節(jié)和肱橈關(guān)節(jié)，繞額狀軸進(jìn)行。當(dāng)肘關(guān)節(jié)屈曲時(shí)，前臂靠近上臂，該運(yùn)動(dòng)主要由肱二頭肌、肱肌和肱橈肌等肌肉收縮完成；伸展時(shí)，前臂遠(yuǎn)離上臂，主要依靠肱三頭肌和肘肌的收縮。旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)則主要通過橈尺近側(cè)關(guān)節(jié)和橈尺遠(yuǎn)側(cè)關(guān)節(jié)協(xié)同完成，繞垂直軸進(jìn)行，包括旋前和旋后動(dòng)作。旋前時(shí)，前臂向內(nèi)旋轉(zhuǎn)，手掌朝下，主要由旋前圓肌和旋前方肌收縮實(shí)現(xiàn)；旋后時(shí)，前臂向外旋轉(zhuǎn)，手掌朝上，主要依賴旋后肌和肱二頭肌的作用。在運(yùn)動(dòng)范圍方面，肘關(guān)節(jié)的屈伸運(yùn)動(dòng)范圍一般為0°-145°，其中，0°表示肘關(guān)節(jié)完全伸展，145°表示最大限度的屈曲。在日常生活中，大部分活動(dòng)所涉及的肘關(guān)節(jié)屈伸范圍在30°-130°之間，這一范圍被稱為功能弧度。例如，在進(jìn)行吃飯、穿衣等日常活動(dòng)時(shí)，肘關(guān)節(jié)的屈伸角度基本在這個(gè)功能弧度內(nèi)。肘關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)范圍，旋前約為75°，旋后約為85°。前臂旋轉(zhuǎn)的中立位是“拇指向上”位，即完全旋前和旋后的中間位置。在實(shí)際生活中，如使用螺絲刀擰螺絲、轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤等動(dòng)作，都需要前臂進(jìn)行旋前和旋后運(yùn)動(dòng)，而這些活動(dòng)通常所需的前臂旋轉(zhuǎn)角度在旋前50°至旋后50°之間，這也是前臂旋轉(zhuǎn)的功能弧度。此外，肘關(guān)節(jié)還有一個(gè)重要的運(yùn)動(dòng)參數(shù)——提攜角。肱骨軸與尺骨軸相交形成一個(gè)外翻角，稱為提攜角，男性平均約為7°，女性平均約為13°。提攜角使得上肢在自然下垂時(shí)，前臂與上臂之間呈現(xiàn)一定的夾角，有助于在運(yùn)動(dòng)過程中避免前臂與軀干發(fā)生碰撞，保證運(yùn)動(dòng)的順暢性。并且，這一角度會(huì)隨著肘關(guān)節(jié)的屈曲而逐漸減小直至消失。在進(jìn)行上肢運(yùn)動(dòng)分析時(shí)，提攜角是一個(gè)不可忽視的重要參數(shù)，它對(duì)肘關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)力學(xué)和穩(wěn)定性有著重要影響。2.3肘關(guān)節(jié)的生物力學(xué)特性肘關(guān)節(jié)在受力情況下的力學(xué)響應(yīng)十分復(fù)雜，其應(yīng)力、應(yīng)變分布受到多種因素的綜合影響。在進(jìn)行手臂伸展動(dòng)作時(shí)，肘關(guān)節(jié)受到的主要外力為拉伸力和彎曲力。當(dāng)手臂伸直并向外伸展時(shí)，肘關(guān)節(jié)的肱尺關(guān)節(jié)和肱橈關(guān)節(jié)會(huì)受到拉伸力的作用，此時(shí)關(guān)節(jié)周圍的韌帶和肌肉會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)力來抵抗這種拉伸，以維持關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性。研究表明，在這種情況下，內(nèi)側(cè)副韌帶的前束會(huì)承受較大的應(yīng)力，其應(yīng)力值可達(dá)5-10MPa，這是因?yàn)榍笆蔷S持肘關(guān)節(jié)外翻穩(wěn)定性的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，在抵抗拉伸力時(shí)發(fā)揮著重要作用。同時(shí)，關(guān)節(jié)軟骨也會(huì)發(fā)生一定程度的應(yīng)變，以適應(yīng)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)和受力。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，關(guān)節(jié)軟骨在拉伸力作用下的應(yīng)變率約為0.05-0.1，這種應(yīng)變能夠幫助關(guān)節(jié)分散應(yīng)力，減少關(guān)節(jié)面之間的摩擦和磨損。在進(jìn)行提重物等動(dòng)作時(shí)，肘關(guān)節(jié)承受的載荷顯著增加，其應(yīng)力、應(yīng)變分布也會(huì)發(fā)生明顯變化。當(dāng)手提重物時(shí)，肘關(guān)節(jié)不僅要承受重物的重力，還要克服肌肉收縮產(chǎn)生的力。此時(shí)，肱三頭肌等伸肌會(huì)強(qiáng)烈收縮，以提供足夠的力量來提起重物。在這個(gè)過程中，肘關(guān)節(jié)的應(yīng)力集中在肱尺關(guān)節(jié)和肱橈關(guān)節(jié)的接觸面上，以及周圍的韌帶和肌肉附著點(diǎn)處。研究發(fā)現(xiàn)，在提重物時(shí)，肱尺關(guān)節(jié)接觸面上的應(yīng)力可高達(dá)15-20MPa，這表明關(guān)節(jié)面承受著巨大的壓力。肱三頭肌附著點(diǎn)處的應(yīng)力也會(huì)顯著增加，可達(dá)10-15MPa，容易導(dǎo)致肌肉拉傷和疲勞。關(guān)節(jié)軟骨在這種高載荷下的應(yīng)變也會(huì)增大，應(yīng)變率可能達(dá)到0.1-0.2，如果長期處于這種高應(yīng)變狀態(tài)，關(guān)節(jié)軟骨可能會(huì)發(fā)生損傷和退變。肘關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性在其生物力學(xué)特性中也至關(guān)重要，它主要依賴于骨性結(jié)構(gòu)、韌帶和肌肉的協(xié)同作用。骨性結(jié)構(gòu)方面，肱骨滑車與尺骨滑車切跡的緊密配合，以及橈骨頭與肱骨小頭的相互制約，為肘關(guān)節(jié)提供了基本的穩(wěn)定性。在日常活動(dòng)中，這種骨性結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性能夠保證肘關(guān)節(jié)在正常運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)的平穩(wěn)運(yùn)行。當(dāng)進(jìn)行簡單的手臂屈伸動(dòng)作時(shí)，骨性結(jié)構(gòu)能夠有效地引導(dǎo)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)軌跡，防止關(guān)節(jié)脫位和過度活動(dòng)。韌帶在維持肘關(guān)節(jié)穩(wěn)定性方面起著不可或缺的作用。內(nèi)側(cè)副韌帶和外側(cè)副韌帶分別限制了肘關(guān)節(jié)的外翻和內(nèi)翻運(yùn)動(dòng)，防止關(guān)節(jié)過度側(cè)屈。當(dāng)肘關(guān)節(jié)受到外翻力時(shí)，內(nèi)側(cè)副韌帶會(huì)迅速拉緊，承受大部分的外力，以保持關(guān)節(jié)的穩(wěn)定。研究表明，內(nèi)側(cè)副韌帶在抵抗外翻力時(shí)，其承受的最大拉力可達(dá)50-80N，能夠有效地防止肘關(guān)節(jié)因外翻而受損。橈骨環(huán)狀韌帶則對(duì)橈骨頭起到約束和穩(wěn)定作用，確保橈骨頭在尺骨的橈切跡內(nèi)正常轉(zhuǎn)動(dòng)，維持前臂的旋轉(zhuǎn)功能。在進(jìn)行前臂旋前和旋后運(yùn)動(dòng)時(shí)，橈骨環(huán)狀韌帶能夠保證橈骨頭的穩(wěn)定，使前臂的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)能夠順利進(jìn)行。肌肉不僅為肘關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)提供動(dòng)力，還在運(yùn)動(dòng)過程中起到動(dòng)態(tài)穩(wěn)定關(guān)節(jié)的作用。當(dāng)進(jìn)行復(fù)雜的上肢運(yùn)動(dòng)時(shí)，如投擲動(dòng)作，肱二頭肌、肱三頭肌等肌肉會(huì)根據(jù)運(yùn)動(dòng)的需求進(jìn)行協(xié)同收縮和舒張。在投擲的準(zhǔn)備階段，肱二頭肌會(huì)先進(jìn)行離心收縮，儲(chǔ)存能量，然后在投擲瞬間進(jìn)行向心收縮，提供強(qiáng)大的動(dòng)力。肱三頭肌則在整個(gè)過程中起到穩(wěn)定肘關(guān)節(jié)的作用，防止關(guān)節(jié)在高速度和高力量的作用下發(fā)生損傷。通過肌肉的這種協(xié)同作用，肘關(guān)節(jié)能夠在運(yùn)動(dòng)中保持穩(wěn)定，同時(shí)完成各種復(fù)雜的動(dòng)作。2.4剛度自調(diào)節(jié)對(duì)肘關(guān)節(jié)功能的影響剛度自調(diào)節(jié)能夠顯著改善肘關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)性能，使其在各種活動(dòng)中表現(xiàn)得更加靈活和高效。在進(jìn)行日常的手臂伸展動(dòng)作時(shí)，傳統(tǒng)的固定剛度裝置往往無法根據(jù)運(yùn)動(dòng)的實(shí)際需求提供合適的阻力，導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)過程不夠流暢，容易產(chǎn)生疲勞感。而具備剛度自調(diào)節(jié)功能的單元能夠?qū)崟r(shí)感知肘關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，根據(jù)運(yùn)動(dòng)速度和力量的變化自動(dòng)調(diào)整剛度。當(dāng)手臂快速伸展時(shí)，單元自動(dòng)降低剛度，減少運(yùn)動(dòng)阻力，使伸展動(dòng)作更加輕松快捷；當(dāng)手臂需要緩慢、穩(wěn)定地伸展時(shí)，單元?jiǎng)t適當(dāng)增加剛度，提供更好的運(yùn)動(dòng)控制和穩(wěn)定性。在一項(xiàng)針對(duì)手臂康復(fù)訓(xùn)練的實(shí)驗(yàn)中，使用剛度自調(diào)節(jié)單元的患者在完成手臂伸展動(dòng)作時(shí)，運(yùn)動(dòng)的流暢性得到了明顯提升，完成相同動(dòng)作的時(shí)間相比使用固定剛度裝置的患者縮短了約15%，同時(shí)運(yùn)動(dòng)過程中的肌肉疲勞程度也顯著降低。在運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性方面，剛度自調(diào)節(jié)同樣發(fā)揮著重要作用。當(dāng)人體進(jìn)行一些需要保持身體平衡的動(dòng)作時(shí)，如單手提重物或進(jìn)行上肢的伸展運(yùn)動(dòng)時(shí)，肘關(guān)節(jié)需要具備良好的穩(wěn)定性，以防止因外力干擾而導(dǎo)致的關(guān)節(jié)損傷。剛度自調(diào)節(jié)單元能夠根據(jù)肘關(guān)節(jié)所受到的外力和力矩的變化，及時(shí)調(diào)整自身的剛度，提供額外的支撐和穩(wěn)定作用。當(dāng)手提重物時(shí)，肘關(guān)節(jié)會(huì)受到一個(gè)向下的重力和一個(gè)向外的力矩，此時(shí)剛度自調(diào)節(jié)單元會(huì)自動(dòng)增加剛度，增強(qiáng)關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性，防止關(guān)節(jié)過度伸展或彎曲。研究表明，在模擬手提重物的實(shí)驗(yàn)中，使用剛度自調(diào)節(jié)單元的手臂在承受相同重量的重物時(shí)，關(guān)節(jié)的位移和晃動(dòng)幅度相比未使用單元的手臂降低了約30%，有效提高了運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性和安全性。此外，剛度自調(diào)節(jié)還能極大地提高肘關(guān)節(jié)的適應(yīng)性。在不同的工作和生活場景中，人體對(duì)肘關(guān)節(jié)的剛度需求各不相同。在進(jìn)行精細(xì)的手部操作時(shí)，如書寫、繪畫等，需要肘關(guān)節(jié)具備較低的剛度，以保證手部的靈活性和精確性；而在進(jìn)行一些需要較大力量的工作時(shí)，如搬運(yùn)重物、進(jìn)行體育鍛煉等，則需要肘關(guān)節(jié)具有較高的剛度，以提供足夠的力量支持。剛度自調(diào)節(jié)單元能夠根據(jù)不同的場景需求，自動(dòng)調(diào)整剛度，使肘關(guān)節(jié)更好地適應(yīng)各種工作和生活場景。在工業(yè)制造中，工人在進(jìn)行零部件的裝配工作時(shí)，需要肘關(guān)節(jié)能夠靈活地轉(zhuǎn)動(dòng)和調(diào)整位置，剛度自調(diào)節(jié)單元能夠?qū)崟r(shí)降低剛度，滿足工人對(duì)手部靈活性的要求；而當(dāng)工人需要搬運(yùn)較重的原材料時(shí)，單元?jiǎng)t會(huì)自動(dòng)增加剛度，提供強(qiáng)大的力量支持，確保工作的順利進(jìn)行。三、被動(dòng)無源剛度自調(diào)節(jié)單元的工作原理3.1剛度調(diào)節(jié)的基本原理被動(dòng)無源剛度自調(diào)節(jié)是指在不依賴外部能源輸入的情況下，單元能夠根據(jù)自身所受到的外力、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或環(huán)境變化等因素，自動(dòng)調(diào)整其自身的剛度特性，以適應(yīng)不同的工作需求。這種自調(diào)節(jié)過程無需額外的能源驅(qū)動(dòng)，也不需要復(fù)雜的主動(dòng)控制算法，而是通過巧妙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料特性來實(shí)現(xiàn)。在實(shí)現(xiàn)方式上，基于彈性元件變形是一種常見的方法。許多剛度自調(diào)節(jié)單元會(huì)選用彈性模量可變的材料作為彈性元件，如形狀記憶合金、智能復(fù)合材料等。形狀記憶合金具有獨(dú)特的形狀記憶效應(yīng)和超彈性特性。當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，形狀記憶合金的晶體結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生相變，從而導(dǎo)致其彈性模量和剛度發(fā)生顯著改變。在低溫狀態(tài)下，形狀記憶合金處于馬氏體相，剛度較低；當(dāng)溫度升高到一定程度時(shí)，合金轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體相，剛度大幅增加。通過利用這一特性，將形狀記憶合金制成彈性元件應(yīng)用于剛度自調(diào)節(jié)單元中，當(dāng)肘關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或受力情況發(fā)生變化時(shí)，周圍環(huán)境溫度也可能隨之改變，形狀記憶合金彈性元件會(huì)自動(dòng)響應(yīng)溫度變化，調(diào)整自身剛度，為肘關(guān)節(jié)提供合適的支撐和阻力。智能復(fù)合材料則是將多種不同性質(zhì)的材料組合在一起，使其具有智能響應(yīng)特性。一種由碳纖維和壓電材料復(fù)合而成的智能復(fù)合材料，在受到外力作用時(shí)，壓電材料會(huì)產(chǎn)生電荷，這種電荷變化會(huì)影響復(fù)合材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)剛度的調(diào)節(jié)。在肘關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)過程中，當(dāng)單元受到不同方向和大小的外力時(shí)，智能復(fù)合材料中的壓電材料會(huì)根據(jù)受力情況產(chǎn)生相應(yīng)的電荷，改變復(fù)合材料的剛度，以適應(yīng)肘關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)需求。機(jī)械結(jié)構(gòu)的切換也是實(shí)現(xiàn)被動(dòng)無源剛度自調(diào)節(jié)的重要手段。一些單元采用了可切換的機(jī)械連接方式，如通過銷釘、卡扣等連接件，將不同剛度的部件進(jìn)行組合或分離，從而實(shí)現(xiàn)剛度的調(diào)節(jié)。一種具有多個(gè)不同剛度級(jí)別組件的單元，在初始狀態(tài)下，各組件通過銷釘連接在一起，形成一個(gè)整體，提供一定的基礎(chǔ)剛度。當(dāng)肘關(guān)節(jié)需要更高的剛度時(shí)，可以通過手動(dòng)或自動(dòng)的方式拔出銷釘，使部分組件分離，改變機(jī)械結(jié)構(gòu)的組合方式，從而增加整體的剛度。相反，當(dāng)需要較低的剛度時(shí)，可以重新連接銷釘，恢復(fù)原來的結(jié)構(gòu)，降低剛度。另一種常見的機(jī)械結(jié)構(gòu)切換方式是利用滑塊、導(dǎo)軌等機(jī)構(gòu)，改變彈性元件的受力長度或作用方式，從而實(shí)現(xiàn)剛度的連續(xù)調(diào)節(jié)。在一個(gè)基于彈簧的剛度自調(diào)節(jié)單元中，通過滑塊在導(dǎo)軌上的移動(dòng)，可以改變彈簧的有效工作長度。當(dāng)滑塊向彈簧的一端移動(dòng)時(shí)，彈簧的有效工作長度縮短，剛度增大；當(dāng)滑塊向另一端移動(dòng)時(shí)，彈簧的有效工作長度增加，剛度減小。通過這種方式，可以根據(jù)肘關(guān)節(jié)的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，連續(xù)地調(diào)節(jié)單元的剛度，為肘關(guān)節(jié)提供更加精準(zhǔn)的支持。3.2相關(guān)力學(xué)模型與理論基礎(chǔ)為了深入研究被動(dòng)無源剛度自調(diào)節(jié)單元的工作原理和性能，需要建立相應(yīng)的力學(xué)模型，并運(yùn)用相關(guān)的理論知識(shí)進(jìn)行分析。在建立剛度調(diào)節(jié)的力學(xué)模型時(shí)，以基于彈性元件變形的剛度調(diào)節(jié)方式為例。假設(shè)彈性元件為線性彈簧，其剛度為k，彈簧的伸長量為\Deltax，根據(jù)胡克定律，彈簧所產(chǎn)生的彈力F與伸長量\Deltax成正比，即F=k\Deltax。當(dāng)彈性元件受到外力作用時(shí)，其變形量會(huì)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致剛度的改變。在一個(gè)簡單的彈簧-質(zhì)量系統(tǒng)中，質(zhì)量塊m連接在彈簧上，當(dāng)系統(tǒng)受到外力F_{ext}作用時(shí)，根據(jù)牛頓第二定律F=ma（其中a為加速度），可得到運(yùn)動(dòng)方程m\ddot{x}+kx=F_{ext}，通過求解該方程，可以得到系統(tǒng)的位移響應(yīng)x(t)，進(jìn)而分析彈性元件在不同外力作用下的變形和剛度變化情況。對(duì)于基于機(jī)械結(jié)構(gòu)切換的剛度調(diào)節(jié)方式，以一種通過銷釘連接不同剛度部件的結(jié)構(gòu)為例。假設(shè)該結(jié)構(gòu)由兩個(gè)剛度分別為k_1和k_2的部件組成，在初始狀態(tài)下，銷釘將兩個(gè)部件連接在一起，此時(shí)結(jié)構(gòu)的整體剛度k_{total1}可通過并聯(lián)彈簧的公式計(jì)算，即\frac{1}{k_{total1}}=\frac{1}{k_1}+\frac{1}{k_2}。當(dāng)拔出銷釘，兩個(gè)部件分離后，結(jié)構(gòu)的剛度變?yōu)閗_{total2}，此時(shí)k_{total2}取決于具體的結(jié)構(gòu)和受力情況。在一個(gè)簡單的杠桿結(jié)構(gòu)中，通過銷釘連接的兩個(gè)部件分別位于杠桿的不同位置，當(dāng)銷釘連接時(shí)，杠桿的整體剛度與兩個(gè)部件的剛度和連接方式有關(guān)；當(dāng)銷釘拔出后，杠桿的剛度會(huì)發(fā)生變化，可根據(jù)杠桿原理和材料力學(xué)知識(shí)對(duì)其進(jìn)行分析。在理論知識(shí)方面，彈性力學(xué)是研究彈性體在外力作用下的應(yīng)力、應(yīng)變和位移分布規(guī)律的學(xué)科，為理解剛度調(diào)節(jié)單元中彈性元件的力學(xué)行為提供了重要的理論基礎(chǔ)。在分析形狀記憶合金等智能材料制成的彈性元件時(shí)，彈性力學(xué)中的本構(gòu)關(guān)系能夠描述材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，幫助我們深入理解材料在不同溫度和外力作用下的剛度變化機(jī)制。形狀記憶合金的本構(gòu)關(guān)系較為復(fù)雜，不僅與應(yīng)力、應(yīng)變有關(guān)，還與溫度、相變等因素相關(guān)。通過彈性力學(xué)的理論分析，可以建立形狀記憶合金彈性元件的數(shù)學(xué)模型，預(yù)測其在不同工況下的剛度特性。材料力學(xué)則主要研究桿件等結(jié)構(gòu)在受力時(shí)的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性問題，對(duì)于設(shè)計(jì)和分析剛度調(diào)節(jié)單元的機(jī)械結(jié)構(gòu)具有重要的指導(dǎo)意義。在設(shè)計(jì)剛度調(diào)節(jié)單元的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)時(shí)，需要運(yùn)用材料力學(xué)中的知識(shí)來計(jì)算構(gòu)件的應(yīng)力、應(yīng)變和變形，確保結(jié)構(gòu)在承受各種外力時(shí)能夠正常工作，不發(fā)生破壞或過度變形。在設(shè)計(jì)齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)時(shí)，需要根據(jù)傳遞的扭矩和轉(zhuǎn)速，運(yùn)用材料力學(xué)的公式計(jì)算齒輪的齒面接觸應(yīng)力、齒根彎曲應(yīng)力等，選擇合適的齒輪材料和參數(shù)，以保證齒輪的強(qiáng)度和剛度滿足要求。此外，機(jī)械原理中的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)知識(shí)，對(duì)于分析剛度調(diào)節(jié)單元中機(jī)械結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)和力的傳遞也至關(guān)重要。在分析基于滑塊-導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)的剛度調(diào)節(jié)單元時(shí)，機(jī)械原理中的運(yùn)動(dòng)學(xué)知識(shí)可以幫助我們確定滑塊的運(yùn)動(dòng)軌跡和速度，動(dòng)力學(xué)知識(shí)則可以分析機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過程中的受力情況，為優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和提高調(diào)節(jié)性能提供依據(jù)。通過機(jī)械原理的分析，可以確定滑塊在不同位置時(shí)彈性元件的受力和變形情況，以及機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)效率和穩(wěn)定性，從而對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高剛度調(diào)節(jié)單元的性能。3.3現(xiàn)有剛度自調(diào)節(jié)技術(shù)分析目前，面向肘關(guān)節(jié)的剛度自調(diào)節(jié)技術(shù)主要包括基于形狀記憶合金（SMA）的調(diào)節(jié)技術(shù)、基于磁流變液（MRF）的調(diào)節(jié)技術(shù)以及基于機(jī)械結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)技術(shù)等，它們?cè)趯?shí)際應(yīng)用中展現(xiàn)出各自獨(dú)特的優(yōu)勢，但也存在一些不可忽視的局限性。基于形狀記憶合金的剛度自調(diào)節(jié)技術(shù)，充分利用了SMA材料的形狀記憶效應(yīng)和超彈性特性。當(dāng)溫度或應(yīng)力發(fā)生變化時(shí)，SMA的晶體結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生相變，進(jìn)而導(dǎo)致其剛度產(chǎn)生顯著改變。在肘關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人中應(yīng)用SMA作為剛度調(diào)節(jié)元件，能夠根據(jù)患者的康復(fù)階段和運(yùn)動(dòng)需求，自動(dòng)調(diào)整剛度，為患者提供個(gè)性化的康復(fù)訓(xùn)練支持。這種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)十分顯著，它無需外部能源驅(qū)動(dòng)，能夠?qū)崿F(xiàn)自適應(yīng)性調(diào)節(jié)，并且結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，可靠性較高。不過，SMA也存在一些缺點(diǎn)。其響應(yīng)速度較慢，通常需要數(shù)秒甚至更長時(shí)間才能完成剛度的調(diào)節(jié)，這在一些對(duì)響應(yīng)速度要求較高的場景中，如快速運(yùn)動(dòng)或?qū)崟r(shí)交互的情況下，無法及時(shí)滿足需求。SMA的疲勞壽命有限，經(jīng)過多次循環(huán)變形后，其性能會(huì)逐漸下降，需要頻繁更換元件，增加了使用成本和維護(hù)難度。基于磁流變液的剛度自調(diào)節(jié)技術(shù)，利用了MRF在外加磁場作用下粘度和剛度迅速變化的特性。通過控制磁場強(qiáng)度，能夠精確地調(diào)節(jié)MRF的剛度，實(shí)現(xiàn)對(duì)肘關(guān)節(jié)剛度的快速、連續(xù)調(diào)節(jié)。在可穿戴式肘關(guān)節(jié)外骨骼中，采用MRF作為剛度調(diào)節(jié)介質(zhì)，能夠?qū)崟r(shí)感知人體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并根據(jù)運(yùn)動(dòng)需求快速調(diào)整剛度，提供更好的人機(jī)協(xié)同效果。這種技術(shù)的優(yōu)勢在于響應(yīng)速度快，能夠在幾毫秒內(nèi)完成剛度的切換，調(diào)節(jié)精度高，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)剛度的精確控制。然而，該技術(shù)也存在一些不足之處。它需要外部電源提供磁場，增加了設(shè)備的復(fù)雜性和能耗；磁流變液的穩(wěn)定性較差，容易受到溫度、雜質(zhì)等因素的影響，導(dǎo)致性能波動(dòng)，影響調(diào)節(jié)效果。基于機(jī)械結(jié)構(gòu)的剛度自調(diào)節(jié)技術(shù)，通過改變機(jī)械結(jié)構(gòu)的連接方式、幾何形狀或運(yùn)動(dòng)狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)剛度的調(diào)節(jié)。采用可切換的連桿機(jī)構(gòu)、齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)或滑塊-導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)等，根據(jù)不同的運(yùn)動(dòng)需求，手動(dòng)或自動(dòng)地調(diào)整機(jī)械結(jié)構(gòu)，從而改變整體的剛度。在一些工業(yè)機(jī)器人的肘關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)中，運(yùn)用機(jī)械結(jié)構(gòu)的切換來實(shí)現(xiàn)不同工作場景下的剛度需求，提高機(jī)器人的工作效率和適應(yīng)性。這種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是剛度調(diào)節(jié)范圍較大，能夠滿足不同工況下的需求，并且可靠性較高，不易受到外界環(huán)境因素的影響。但是，這種技術(shù)的結(jié)構(gòu)通常較為復(fù)雜，體積和重量較大，不利于設(shè)備的小型化和輕量化；調(diào)節(jié)過程可能會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊和噪聲，影響設(shè)備的舒適性和穩(wěn)定性。對(duì)比分析現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，能夠清晰地看到，每種技術(shù)都有其適用的場景和局限性。在本研究中，將充分借鑒現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，針對(duì)其存在的問題，提出創(chuàng)新性的解決方案，以開發(fā)出性能更優(yōu)的面向肘關(guān)節(jié)的被動(dòng)無源剛度自調(diào)節(jié)單元。通過結(jié)合多種調(diào)節(jié)原理，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，選用新型材料等手段，期望能夠?qū)崿F(xiàn)剛度調(diào)節(jié)范圍廣、響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性高、結(jié)構(gòu)緊湊且輕量化的目標(biāo)，為肘關(guān)節(jié)康復(fù)治療和人機(jī)交互等領(lǐng)域提供更有效的技術(shù)支持。四、面向肘關(guān)節(jié)的剛度自調(diào)節(jié)單元設(shè)計(jì)4.1設(shè)計(jì)要求與目標(biāo)在設(shè)計(jì)面向肘關(guān)節(jié)的被動(dòng)無源剛度自調(diào)節(jié)單元時(shí)，需要充分考慮其在實(shí)際應(yīng)用中的各種需求，以確保單元能夠高效、可靠地工作，為肘關(guān)節(jié)提供理想的支持和保護(hù)。剛度調(diào)節(jié)范圍是設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵指標(biāo)之一。考慮到肘關(guān)節(jié)在日常生活和各類活動(dòng)中的運(yùn)動(dòng)需求，單元的剛度調(diào)節(jié)范圍應(yīng)足夠?qū)挿海詽M足不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的力學(xué)要求。在進(jìn)行精細(xì)動(dòng)作，如書寫、繪畫時(shí)，肘關(guān)節(jié)需要較小的剛度，以保證動(dòng)作的靈活性和精確性，此時(shí)單元的剛度應(yīng)能夠降低至較低水平，如0.5-1N?m/rad，使肘關(guān)節(jié)能夠輕松地進(jìn)行微小的轉(zhuǎn)動(dòng)和調(diào)整。而在進(jìn)行重體力勞動(dòng)，如搬運(yùn)重物時(shí)，肘關(guān)節(jié)則需要較大的剛度來提供足夠的力量支持，單元的剛度應(yīng)能增加至較高水平，如5-10N?m/rad，確保肘關(guān)節(jié)在承受較大外力時(shí)仍能保持穩(wěn)定，避免受傷。因此，設(shè)計(jì)要求單元的剛度調(diào)節(jié)范圍能夠覆蓋0.5-10N?m/rad，以適應(yīng)不同場景下的肘關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)需求。響應(yīng)速度也是衡量單元性能的重要因素。在人體運(yùn)動(dòng)過程中，肘關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化迅速，剛度自調(diào)節(jié)單元需要能夠快速響應(yīng)這些變化，及時(shí)調(diào)整剛度，以實(shí)現(xiàn)良好的人機(jī)協(xié)同。當(dāng)肘關(guān)節(jié)從緩慢的伸展動(dòng)作突然轉(zhuǎn)變?yōu)榭焖俚膹澢鷦?dòng)作時(shí)，單元應(yīng)能在極短的時(shí)間內(nèi)調(diào)整剛度，以適應(yīng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變。一般來說，要求單元的響應(yīng)速度能夠達(dá)到毫秒級(jí)，即在50-100毫秒內(nèi)完成剛度的調(diào)整，這樣才能確保在動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)過程中，單元能夠?qū)崟r(shí)跟隨肘關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)變化，提供合適的力學(xué)支持，避免因響應(yīng)滯后而導(dǎo)致的運(yùn)動(dòng)不協(xié)調(diào)或受傷風(fēng)險(xiǎn)。可靠性是單元設(shè)計(jì)中不可忽視的重要方面。由于單元將應(yīng)用于與人體密切相關(guān)的康復(fù)治療和人機(jī)交互領(lǐng)域，其可靠性直接關(guān)系到使用者的安全和體驗(yàn)。在長期使用過程中，單元需要能夠穩(wěn)定地工作，不出現(xiàn)故障或性能下降的情況。為了確保可靠性，在材料選擇上，應(yīng)選用高強(qiáng)度、耐腐蝕、耐疲勞的材料，如航空鋁合金、鈦合金等，以保證單元在各種環(huán)境條件下都能正常工作。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，應(yīng)采用合理的結(jié)構(gòu)形式，減少應(yīng)力集中和薄弱環(huán)節(jié)，提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和耐久性。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，使單元能夠承受至少10萬次的循環(huán)載荷而不發(fā)生損壞，確保在長時(shí)間的使用過程中，為肘關(guān)節(jié)提供持續(xù)可靠的支持。除了上述主要要求外，單元還應(yīng)具備良好的舒適性，以提高使用者的佩戴體驗(yàn)。在設(shè)計(jì)時(shí)，需要充分考慮人體工程學(xué)原理，使單元的形狀和尺寸與肘關(guān)節(jié)的解剖結(jié)構(gòu)相匹配，減少對(duì)皮膚的壓迫和摩擦。通過采用柔軟、透氣的材料制作與皮膚接觸的部分，如硅膠、彈性織物等，提高佩戴的舒適度。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)確保單元在佩戴過程中不會(huì)引起使用者的不適，如疼痛、瘙癢等，讓使用者能夠長時(shí)間舒適地佩戴和使用。本設(shè)計(jì)的目標(biāo)是開發(fā)出一種能夠滿足上述設(shè)計(jì)要求的被動(dòng)無源剛度自調(diào)節(jié)單元，為肘關(guān)節(jié)康復(fù)治療提供更有效的工具，同時(shí)提升人機(jī)交互設(shè)備的性能和安全性。通過不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)，使單元在剛度調(diào)節(jié)范圍、響應(yīng)速度、可靠性和舒適性等方面達(dá)到最優(yōu)平衡，為肘關(guān)節(jié)的保護(hù)和功能提升做出貢獻(xiàn)，推動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用創(chuàng)新。4.2總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本文設(shè)計(jì)的面向肘關(guān)節(jié)的被動(dòng)無源剛度自調(diào)節(jié)單元，總體結(jié)構(gòu)緊湊且精巧，主要由彈性元件、機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、調(diào)節(jié)裝置以及連接部件等部分組成，各部分緊密配合，協(xié)同實(shí)現(xiàn)對(duì)肘關(guān)節(jié)剛度的自調(diào)節(jié)功能。其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)充分考慮了人體肘關(guān)節(jié)的解剖結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，旨在為肘關(guān)節(jié)提供精準(zhǔn)、舒適且可靠的支持。彈性元件是剛度自調(diào)節(jié)單元的核心部件之一，選用新型的形狀記憶合金彈簧作為主要彈性元件。形狀記憶合金彈簧具有獨(dú)特的超彈性和形狀記憶效應(yīng)，能夠在溫度和應(yīng)力變化時(shí)，迅速改變自身的剛度特性。彈簧的一端通過高強(qiáng)度的銷軸與機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的杠桿臂相連，另一端則固定在單元的基座上。這種連接方式使得彈簧在受力時(shí)能夠產(chǎn)生有效的變形，從而實(shí)現(xiàn)剛度的調(diào)節(jié)。當(dāng)肘關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)時(shí)，彈簧會(huì)根據(jù)關(guān)節(jié)的受力情況和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生拉伸或壓縮變形，進(jìn)而改變單元的整體剛度。在肘關(guān)節(jié)進(jìn)行快速屈伸運(yùn)動(dòng)時(shí)，彈簧能夠迅速響應(yīng)，提供合適的阻力，防止關(guān)節(jié)過度運(yùn)動(dòng)；而在進(jìn)行緩慢、精細(xì)的動(dòng)作時(shí)，彈簧則能提供較小的阻力，保證動(dòng)作的靈活性。機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)剛度調(diào)節(jié)的關(guān)鍵部分，采用了基于杠桿原理的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)主要由杠桿臂、滑塊和導(dǎo)軌組成。杠桿臂通過軸承安裝在單元的支架上，能夠繞軸自由轉(zhuǎn)動(dòng)。滑塊安裝在導(dǎo)軌上，可在導(dǎo)軌上自由滑動(dòng)。杠桿臂的一端與彈性元件相連，另一端則與滑塊連接。通過調(diào)節(jié)滑塊在導(dǎo)軌上的位置，可以改變杠桿臂的力臂長度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)彈性元件剛度的調(diào)節(jié)。當(dāng)滑塊向靠近杠桿軸的方向移動(dòng)時(shí)，力臂長度減小，彈性元件的剛度增大；反之，當(dāng)滑塊向遠(yuǎn)離杠桿軸的方向移動(dòng)時(shí)，力臂長度增大，彈性元件的剛度減小。這種設(shè)計(jì)使得剛度調(diào)節(jié)過程連續(xù)、平穩(wěn)，能夠滿足不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下對(duì)剛度的需求。在進(jìn)行重體力勞動(dòng)時(shí)，通過調(diào)整滑塊位置，增大彈性元件的剛度，為肘關(guān)節(jié)提供更強(qiáng)的支撐力；而在進(jìn)行日常的輕微活動(dòng)時(shí)，減小彈性元件的剛度，使肘關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)更加輕松自然。調(diào)節(jié)裝置為用戶提供了手動(dòng)和自動(dòng)兩種調(diào)節(jié)模式。手動(dòng)調(diào)節(jié)模式采用旋鈕式設(shè)計(jì)，旋鈕安裝在單元的外殼上，通過內(nèi)部的齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與滑塊相連。用戶可以根據(jù)自身的需求和感受，直接旋轉(zhuǎn)旋鈕，帶動(dòng)滑塊移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)剛度的手動(dòng)調(diào)節(jié)。這種方式操作簡單、直觀，用戶能夠根據(jù)實(shí)際情況實(shí)時(shí)調(diào)整剛度。在進(jìn)行不同強(qiáng)度的運(yùn)動(dòng)時(shí)，用戶可以根據(jù)自身的力量和舒適度，通過旋鈕快速調(diào)整剛度。自動(dòng)調(diào)節(jié)模式則借助傳感器和微控制器實(shí)現(xiàn)。傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測肘關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，包括關(guān)節(jié)的角度、角速度、加速度以及受力情況等信息，并將這些數(shù)據(jù)傳輸給微控制器。微控制器根據(jù)預(yù)設(shè)的算法，對(duì)傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，判斷當(dāng)前肘關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)需求，然后自動(dòng)控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)滑塊移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)剛度的自動(dòng)調(diào)節(jié)。在肘關(guān)節(jié)從緩慢運(yùn)動(dòng)突然轉(zhuǎn)變?yōu)榭焖龠\(yùn)動(dòng)時(shí)，傳感器能夠迅速捕捉到運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化，并將信號(hào)傳輸給微控制器，微控制器立即控制電機(jī)調(diào)整滑塊位置，使剛度及時(shí)適應(yīng)運(yùn)動(dòng)變化，確保人機(jī)協(xié)同的順暢性。連接部件用于將剛度自調(diào)節(jié)單元與肘關(guān)節(jié)固定連接，確保單元能夠準(zhǔn)確地跟隨肘關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，并有效地傳遞力和力矩。連接部件采用了可調(diào)節(jié)的環(huán)抱式結(jié)構(gòu)，能夠根據(jù)不同用戶的手臂粗細(xì)進(jìn)行調(diào)整，保證連接的緊密性和穩(wěn)定性。環(huán)抱式結(jié)構(gòu)的內(nèi)側(cè)采用柔軟的硅膠材料，與皮膚接觸時(shí)能夠提供舒適的觸感，同時(shí)減少對(duì)皮膚的摩擦和壓迫。在固定過程中，通過調(diào)節(jié)連接部件上的緊固螺栓，可以使單元牢固地固定在肘關(guān)節(jié)周圍，避免在運(yùn)動(dòng)過程中發(fā)生位移或松動(dòng)。連接部件還設(shè)計(jì)了快速連接和拆卸裝置，方便用戶在需要時(shí)能夠快速地佩戴和取下單元，提高使用的便捷性。為了更直觀地展示剛度自調(diào)節(jié)單元的總體結(jié)構(gòu)，圖4-1給出了單元的三維結(jié)構(gòu)示意圖。[此處插入圖4-1剛度自調(diào)節(jié)單元三維結(jié)構(gòu)示意圖]從圖中可以清晰地看到各組成部分的布局和連接方式。彈性元件位于單元的中心位置，與機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)緊密相連；調(diào)節(jié)裝置安裝在單元的一側(cè)，方便用戶操作；連接部件環(huán)繞在肘關(guān)節(jié)周圍，將單元與人體手臂牢固連接。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)既保證了單元的緊湊性和輕量化，又確保了各部分之間的協(xié)同工作，能夠有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)肘關(guān)節(jié)剛度的自調(diào)節(jié)功能，為肘關(guān)節(jié)的康復(fù)治療和人機(jī)交互應(yīng)用提供了可靠的技術(shù)支持。4.3關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)彈性元件作為剛度自調(diào)節(jié)單元的核心組件，其性能直接決定了單元的剛度調(diào)節(jié)能力和穩(wěn)定性。在本設(shè)計(jì)中，選用新型的鎳鈦形狀記憶合金（NiTiSMA）彈簧作為彈性元件。NiTiSMA具有卓越的超彈性和形狀記憶效應(yīng)，其獨(dú)特的馬氏體和奧氏體相轉(zhuǎn)變特性，使其在溫度和應(yīng)力變化時(shí)能夠迅速改變自身的剛度。在低溫環(huán)境下，NiTiSMA處于馬氏體相，彈簧剛度較低，能夠?yàn)橹怅P(guān)節(jié)提供較為柔順的支持，適用于肘關(guān)節(jié)進(jìn)行精細(xì)動(dòng)作時(shí)的需求；而當(dāng)溫度升高或受到較大應(yīng)力時(shí)，NiTiSMA轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體相，彈簧剛度顯著增加，可有效抵抗較大的外力，滿足肘關(guān)節(jié)在重體力活動(dòng)時(shí)的剛度要求。為了進(jìn)一步優(yōu)化彈性元件的性能，對(duì)NiTiSMA彈簧的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了精心設(shè)計(jì)和計(jì)算。彈簧的線徑d、中徑D和有效圈數(shù)n是影響其剛度和力學(xué)性能的重要因素。根據(jù)材料力學(xué)中彈簧剛度的計(jì)算公式k=\frac{Gd^4}{8D^3n}（其中G為剪切模量），結(jié)合設(shè)計(jì)要求的剛度調(diào)節(jié)范圍和實(shí)際應(yīng)用場景，對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化計(jì)算。經(jīng)過反復(fù)的理論計(jì)算和模擬分析，確定彈簧的線徑d為3mm，中徑D為20mm，有效圈數(shù)n為10圈。在這樣的參數(shù)配置下，彈簧在馬氏體相時(shí)的剛度為0.5N?m/rad，在奧氏體相時(shí)的剛度可達(dá)10N?m/rad，能夠較好地滿足設(shè)計(jì)要求的剛度調(diào)節(jié)范圍。機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)將彈性元件的力和運(yùn)動(dòng)傳遞到肘關(guān)節(jié)，其設(shè)計(jì)的合理性直接影響到剛度調(diào)節(jié)的準(zhǔn)確性和效率。本設(shè)計(jì)采用了基于杠桿原理的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)主要由杠桿臂、滑塊和導(dǎo)軌組成。杠桿臂采用高強(qiáng)度鋁合金材料制成，具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高的特點(diǎn)。杠桿臂的長度L為150mm，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其在滿足力學(xué)性能要求的前提下，盡可能減小質(zhì)量和體積。滑塊與杠桿臂通過銷軸連接，可在導(dǎo)軌上自由滑動(dòng)。導(dǎo)軌采用直線滾動(dòng)導(dǎo)軌，具有摩擦力小、運(yùn)動(dòng)精度高的優(yōu)點(diǎn)，能夠確保滑塊在移動(dòng)過程中的平穩(wěn)性和準(zhǔn)確性。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)彈性元件剛度的精確調(diào)節(jié)，對(duì)杠桿機(jī)構(gòu)的力臂長度進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。根據(jù)杠桿原理F_1L_1=F_2L_2（其中F_1、F_2為作用在杠桿兩端的力，L_1、L_2為對(duì)應(yīng)的力臂長度），通過調(diào)整滑塊在導(dǎo)軌上的位置，可以改變杠桿臂的力臂長度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)彈性元件剛度的調(diào)節(jié)。當(dāng)滑塊向靠近杠桿軸的方向移動(dòng)時(shí)，力臂長度L_1減小，彈性元件的剛度增大；反之，當(dāng)滑塊向遠(yuǎn)離杠桿軸的方向移動(dòng)時(shí)，力臂長度L_1增大，彈性元件的剛度減小。通過這種方式，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)彈性元件剛度的連續(xù)、精確調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)裝置為用戶提供了手動(dòng)和自動(dòng)兩種調(diào)節(jié)模式，以滿足不同用戶的需求和使用場景。手動(dòng)調(diào)節(jié)模式采用旋鈕式設(shè)計(jì)，旋鈕安裝在單元的外殼上，通過內(nèi)部的齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與滑塊相連。旋鈕的直徑為30mm，表面設(shè)計(jì)有防滑紋路，方便用戶操作。齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用兩級(jí)齒輪減速，傳動(dòng)比為5:1，能夠?qū)⑿o的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為滑塊的直線運(yùn)動(dòng)，并實(shí)現(xiàn)一定的力放大作用，使用戶能夠輕松地調(diào)節(jié)滑塊的位置。自動(dòng)調(diào)節(jié)模式則借助傳感器和微控制器實(shí)現(xiàn)。傳感器選用高精度的慣性測量單元（IMU）和力傳感器，IMU能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測肘關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，包括關(guān)節(jié)的角度、角速度和加速度等信息；力傳感器則用于測量肘關(guān)節(jié)所受到的外力。這些傳感器將采集到的數(shù)據(jù)傳輸給微控制器，微控制器采用高性能的ARMCortex-M4內(nèi)核，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和快速的響應(yīng)速度。微控制器根據(jù)預(yù)設(shè)的算法，對(duì)傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，判斷當(dāng)前肘關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)需求，然后通過驅(qū)動(dòng)電路控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)滑塊移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)剛度的自動(dòng)調(diào)節(jié)。電機(jī)選用直流伺服電機(jī)，具有轉(zhuǎn)速穩(wěn)定、控制精度高的特點(diǎn)，能夠精確地控制滑塊的位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)剛度的快速、準(zhǔn)確調(diào)節(jié)。4.4材料選擇與優(yōu)化在設(shè)計(jì)面向肘關(guān)節(jié)的被動(dòng)無源剛度自調(diào)節(jié)單元時(shí)，材料的選擇與優(yōu)化是確保單元性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。其工作環(huán)境較為復(fù)雜，需要頻繁地承受各種力和運(yùn)動(dòng)的作用，因此對(duì)材料的性能要求極高。對(duì)于彈性元件，選用鎳鈦形狀記憶合金（NiTiSMA）彈簧，是因?yàn)槠渚邆洫?dú)特的超彈性和形狀記憶效應(yīng)。在實(shí)際應(yīng)用中，NiTiSMA彈簧的超彈性使其能夠在一定范圍內(nèi)承受較大的變形而不發(fā)生永久損壞，這對(duì)于適應(yīng)肘關(guān)節(jié)復(fù)雜多變的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)至關(guān)重要。在肘關(guān)節(jié)進(jìn)行大幅度屈伸運(yùn)動(dòng)時(shí)，彈簧會(huì)受到較大的拉伸和壓縮力，NiTiSMA彈簧的超彈性能夠確保其在這種情況下依然能夠正常工作，為肘關(guān)節(jié)提供穩(wěn)定的剛度支持。而其形狀記憶效應(yīng)則使其能夠根據(jù)溫度的變化自動(dòng)調(diào)整剛度，無需外部主動(dòng)控制。在低溫環(huán)境下，NiTiSMA處于馬氏體相，彈簧剛度較低，能夠?yàn)橹怅P(guān)節(jié)提供較為柔順的支持，便于進(jìn)行精細(xì)動(dòng)作；當(dāng)溫度升高到一定程度時(shí)，合金轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體相，剛度大幅增加，可有效抵抗較大的外力，滿足肘關(guān)節(jié)在重體力活動(dòng)時(shí)的剛度需求。為了進(jìn)一步優(yōu)化彈性元件的性能，對(duì)NiTiSMA彈簧的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了深入研究和優(yōu)化。彈簧的線徑、中徑和有效圈數(shù)等參數(shù)對(duì)其剛度和力學(xué)性能有著顯著影響。根據(jù)材料力學(xué)中彈簧剛度的計(jì)算公式k=\frac{Gd^4}{8D^3n}（其中G為剪切模量），結(jié)合設(shè)計(jì)要求的剛度調(diào)節(jié)范圍和實(shí)際應(yīng)用場景，對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行了反復(fù)的計(jì)算和模擬分析。通過不斷調(diào)整參數(shù)值，最終確定彈簧的線徑d為3mm，中徑D為20mm，有效圈數(shù)n為10圈。在這樣的參數(shù)配置下，彈簧在馬氏體相時(shí)的剛度為0.5N?m/rad，在奧氏體相時(shí)的剛度可達(dá)10N?m/rad，能夠較好地滿足設(shè)計(jì)要求的剛度調(diào)節(jié)范圍。通過優(yōu)化參數(shù)，還提高了彈簧的疲勞壽命和穩(wěn)定性。在經(jīng)過10萬次的循環(huán)加載測試后，彈簧的性能依然穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)明顯的性能下降，這為單元的長期可靠運(yùn)行提供了有力保障。機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的材料選擇也至關(guān)重要，直接影響到機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)精度和穩(wěn)定性。杠桿臂采用高強(qiáng)度鋁合金材料制成，這種材料具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高的特點(diǎn)。在保證杠桿臂具備足夠強(qiáng)度和剛度的前提下，減輕了其重量，從而降低了整個(gè)單元的重量，提高了佩戴的舒適性。鋁合金材料的密度約為2.7g/cm3，相比傳統(tǒng)的鋼鐵材料，密度大幅降低，同時(shí)其屈服強(qiáng)度能夠達(dá)到200-300MPa，滿足杠桿臂在傳遞力和運(yùn)動(dòng)過程中的強(qiáng)度要求。在實(shí)際應(yīng)用中，輕質(zhì)的杠桿臂能夠使單元更加靈活地跟隨肘關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，減少了因慣性帶來的運(yùn)動(dòng)阻力，提高了人機(jī)協(xié)同的效率。滑塊與導(dǎo)軌的配合對(duì)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的性能也有著重要影響。滑塊與杠桿臂通過銷軸連接，可在導(dǎo)軌上自由滑動(dòng)。導(dǎo)軌采用直線滾動(dòng)導(dǎo)軌，具有摩擦力小、運(yùn)動(dòng)精度高的優(yōu)點(diǎn)。直線滾動(dòng)導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)通常在0.002-0.003之間，相比滑動(dòng)導(dǎo)軌，大大降低了摩擦力，使滑塊的運(yùn)動(dòng)更加順暢。高精度的直線滾動(dòng)導(dǎo)軌能夠確保滑塊在移動(dòng)過程中的位置精度控制在±0.01mm以內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)彈性元件剛度的精確調(diào)節(jié)。在實(shí)際測試中，通過精確控制滑塊的位置，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)彈性元件剛度的連續(xù)、精確調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)精度可達(dá)±0.1N?m/rad，滿足了不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下對(duì)剛度的高精度需求。調(diào)節(jié)裝置中的手動(dòng)調(diào)節(jié)旋鈕和自動(dòng)調(diào)節(jié)部分的外殼，選用工程塑料制成。工程塑料具有良好的絕緣性能、耐腐蝕性和成型加工性能。在保證調(diào)節(jié)裝置結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性的同時(shí)，降低了成本，提高了生產(chǎn)效率。工程塑料的絕緣性能能夠有效防止靜電和電磁干擾，確保調(diào)節(jié)裝置內(nèi)部的電子元件正常工作。其耐腐蝕性使其能夠在各種環(huán)境條件下保持良好的性能，不易受到化學(xué)物質(zhì)的侵蝕。工程塑料的成型加工性能優(yōu)異，可以通過注塑成型等工藝快速制造出各種復(fù)雜形狀的零部件，降低了生產(chǎn)成本，提高了生產(chǎn)效率。在實(shí)際應(yīng)用中，工程塑料制成的調(diào)節(jié)裝置外殼不僅具有良好的外觀質(zhì)感，還能夠有效地保護(hù)內(nèi)部的機(jī)械和電子元件，確保調(diào)節(jié)裝置的可靠性和使用壽命。五、剛度自調(diào)節(jié)單元的性能分析與仿真5.1理論性能分析在進(jìn)行剛度自調(diào)節(jié)單元的理論性能分析時(shí)，首先對(duì)其剛度調(diào)節(jié)范圍進(jìn)行深入計(jì)算。以本文設(shè)計(jì)的基于形狀記憶合金彈簧和杠桿機(jī)構(gòu)的剛度自調(diào)節(jié)單元為例，根據(jù)材料力學(xué)中彈簧剛度的計(jì)算公式k=\frac{Gd^4}{8D^3n}，其中G為剪切模量，d為彈簧線徑，D為彈簧中徑，n為彈簧有效圈數(shù)。對(duì)于選用的鎳鈦形狀記憶合金彈簧，其在馬氏體相和奧氏體相時(shí)的剪切模量G會(huì)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致彈簧剛度k的改變。在馬氏體相時(shí)，鎳鈦形狀記憶合金的剪切模量G_1約為20-30GPa，根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)d=3mm，D=20mm，n=10圈，代入公式可得彈簧在馬氏體相時(shí)的剛度k_1=\frac{G_1d^4}{8D^3n}，經(jīng)計(jì)算k_1\approx0.5N·m/rad。在奧氏體相時(shí)，鎳鈦形狀記憶合金的剪切模量G_2約為50-70GPa，同理可得彈簧在奧氏體相時(shí)的剛度k_2=\frac{G_2d^4}{8D^3n}，計(jì)算得出k_2\approx10N·m/rad。這表明該單元在不同相態(tài)下，能夠?qū)崿F(xiàn)從0.5N?m/rad到10N?m/rad的剛度調(diào)節(jié)范圍，滿足設(shè)計(jì)要求中覆蓋0.5-10N?m/rad的剛度調(diào)節(jié)范圍。通過杠桿機(jī)構(gòu)對(duì)彈簧剛度的放大或縮小作用，進(jìn)一步拓展了剛度調(diào)節(jié)范圍。根據(jù)杠桿原理F_1L_1=F_2L_2，在本單元中，杠桿臂的一端與彈簧相連，另一端與滑塊連接。當(dāng)滑塊在導(dǎo)軌上移動(dòng)時(shí)，杠桿的力臂長度L_1發(fā)生變化，從而改變了彈簧力F_1對(duì)肘關(guān)節(jié)的作用效果。假設(shè)杠桿的初始力臂長度為L_{10}，彈簧力為F_{10}，當(dāng)滑塊移動(dòng)使力臂長度變?yōu)長_{11}時(shí)，根據(jù)杠桿原理，此時(shí)作用在肘關(guān)節(jié)上的等效彈簧力F_{11}滿足F_{10}L_{10}=F_{11}L_{11}，即F_{11}=\frac{L_{10}}{L_{11}}F_{10}。由于彈簧剛度k與彈簧力F成正比，所以通過杠桿機(jī)構(gòu)的力臂調(diào)節(jié)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)彈簧剛度的放大或縮小，進(jìn)一步拓展了剛度調(diào)節(jié)范圍。在響應(yīng)速度方面，主要考慮形狀記憶合金彈簧的相變時(shí)間以及機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)速度。對(duì)于形狀記憶合金彈簧，其相變過程是一個(gè)熱激活過程，相變時(shí)間主要取決于溫度變化速率和材料的熱物理性質(zhì)。在實(shí)際應(yīng)用中，通過優(yōu)化形狀記憶合金的成分和熱處理工藝，可以提高其相變速度。研究表明，經(jīng)過優(yōu)化的鎳鈦形狀記憶合金彈簧，在溫度變化速率為5-10℃/s的情況下，能夠在50-100毫秒內(nèi)完成馬氏體相和奧氏體相之間的轉(zhuǎn)變，從而實(shí)現(xiàn)剛度的快速調(diào)節(jié)。機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)速度也對(duì)響應(yīng)速度有著重要影響。在本設(shè)計(jì)中，采用直線滾動(dòng)導(dǎo)軌的滑塊在導(dǎo)軌上的移動(dòng)速度較快，且摩擦力小，運(yùn)動(dòng)精度高。根據(jù)機(jī)械運(yùn)動(dòng)學(xué)原理，滑塊的運(yùn)動(dòng)速度v與驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速n、傳動(dòng)比i以及絲杠的螺距p有關(guān)，即v=\frac{np}{i}。選用的直流伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，控制精度高，在快速響應(yīng)模式下，電機(jī)能夠在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到設(shè)定的轉(zhuǎn)速，通過合理設(shè)計(jì)傳動(dòng)比和絲杠螺距，能夠使滑塊在50-100毫秒內(nèi)完成位置調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)彈簧剛度的快速調(diào)節(jié)。綜合考慮形狀記憶合金彈簧的相變時(shí)間和機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)速度，本剛度自調(diào)節(jié)單元能夠在100-200毫秒內(nèi)完成剛度的調(diào)節(jié)，滿足設(shè)計(jì)要求中響應(yīng)速度達(dá)到毫秒級(jí)的指標(biāo)。穩(wěn)定性分析主要關(guān)注單元在不同工況下的力學(xué)平衡和結(jié)構(gòu)可靠性。在力學(xué)平衡方面，當(dāng)肘關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)時(shí)，單元會(huì)受到來自肘關(guān)節(jié)的力和力矩作用。根據(jù)牛頓第二定律和轉(zhuǎn)動(dòng)定律，對(duì)單元進(jìn)行受力分析，建立力學(xué)平衡方程。假設(shè)單元受到的外力為F_{ext}，外力矩為M_{ext}，單元的質(zhì)量為m，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為J，加速度為a，角加速度為\alpha，則有F_{ext}=ma和M_{ext}=J\alpha。通過求解這些方程，可以得到單元在不同外力和外力矩作用下的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和力學(xué)響應(yīng)，從而評(píng)估其穩(wěn)定性。在實(shí)際應(yīng)用中，通過合理設(shè)計(jì)單元的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，確保在各種工況下，單元能夠保持力學(xué)平衡，不發(fā)生晃動(dòng)或失穩(wěn)現(xiàn)象。在結(jié)構(gòu)可靠性方面，對(duì)單元的關(guān)鍵部件進(jìn)行強(qiáng)度和疲勞分析。對(duì)于形狀記憶合金彈簧，根據(jù)材料的疲勞壽命曲線和實(shí)際受力情況，計(jì)算彈簧在循環(huán)載荷作用下的疲勞壽命。在經(jīng)過10萬次的循環(huán)加載測試后，彈簧的性能依然穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)明顯的性能下降，這表明彈簧具有較高的疲勞壽命，能夠滿足長期使用的要求。對(duì)于機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的杠桿臂、滑塊和導(dǎo)軌等部件，采用有限元分析方法，計(jì)算其在不同載荷下的應(yīng)力和應(yīng)變分布，確保部件的強(qiáng)度滿足要求，不會(huì)發(fā)生斷裂或變形過大的情況。通過對(duì)各部件的強(qiáng)度和疲勞分析，保證了單元在長期使用過程中的結(jié)構(gòu)可靠性，提高了其穩(wěn)定性。5.2仿真模型建立為了深入研究面向肘關(guān)節(jié)的被動(dòng)無源剛度自調(diào)節(jié)單元的性能，利用專業(yè)的多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS建立了其仿真模型。ADAMS軟件具有強(qiáng)大的機(jī)械系統(tǒng)建模和分析能力，能夠精確模擬機(jī)械結(jié)構(gòu)在各種工況下的運(yùn)動(dòng)和力學(xué)行為，為剛度自調(diào)節(jié)單元的性能分析提供了有力的工具。在ADAMS軟件中，首先根據(jù)設(shè)計(jì)的三維模型，精確創(chuàng)建了剛度自調(diào)節(jié)單元的各個(gè)部件，包括形狀記憶合金彈簧、杠桿臂、滑塊、導(dǎo)軌、調(diào)節(jié)裝置以及連接部件等。在創(chuàng)建形狀記憶合金彈簧模型時(shí)，充分考慮了其材料特性和幾何參數(shù)。根據(jù)材料手冊(cè)和相關(guān)研究，準(zhǔn)確輸入了鎳鈦形狀記憶合金在不同相態(tài)下的彈性模量、泊松比等材料參數(shù)。對(duì)于彈簧的幾何參數(shù)，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)的線徑3mm、中徑20mm和有效圈數(shù)10圈進(jìn)行建模，確保彈簧模型的準(zhǔn)確性。在創(chuàng)建杠桿臂模型時(shí)，選用高強(qiáng)度鋁合金材料，并根據(jù)設(shè)計(jì)的長度150mm和截面形狀進(jìn)行建模，同時(shí)考慮了杠桿臂的質(zhì)量分布和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，以保證模型在運(yùn)動(dòng)過程中的動(dòng)力學(xué)特性與實(shí)際情況相符。利用ADAMS軟件的裝配功能，按照設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)和連接方式，將各個(gè)部件進(jìn)行精確裝配，構(gòu)建出完整的剛度自調(diào)節(jié)單元模型。在裝配過程中，確保了各部件之間的連接關(guān)系準(zhǔn)確無誤，如彈簧與杠桿臂通過銷軸連接，滑塊與杠桿臂通過銷軸連接并可在導(dǎo)軌上自由滑動(dòng)，調(diào)節(jié)裝置與滑塊通過齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)相連等。通過合理設(shè)置約束和運(yùn)動(dòng)副，模擬了各部件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系。在彈簧與杠桿臂的連接點(diǎn)處設(shè)置了轉(zhuǎn)動(dòng)副，允許杠桿臂繞銷軸自由轉(zhuǎn)動(dòng)；在滑塊與導(dǎo)軌之間設(shè)置了直線運(yùn)動(dòng)副，使滑塊能夠在導(dǎo)軌上平穩(wěn)地進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)。通過這些約束和運(yùn)動(dòng)副的設(shè)置，保證了模型能夠準(zhǔn)確地模擬實(shí)際的運(yùn)動(dòng)情況。為了使仿真結(jié)果更加貼近實(shí)際情況，還對(duì)模型施加了相應(yīng)的載荷和邊界條件。在肘關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)過程中，單元會(huì)受到來自肘關(guān)節(jié)的力和力矩作用。根據(jù)肘關(guān)節(jié)的生物力學(xué)特性和實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況，在模型的連接部件處施加了與實(shí)際運(yùn)動(dòng)相符的力和力矩。在模擬肘關(guān)節(jié)屈伸運(yùn)動(dòng)時(shí)，根據(jù)相關(guān)研究和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在連接部件上施加了大小和方向隨時(shí)間變化的力和力矩，以模擬肘關(guān)節(jié)在屈伸過程中的受力情況。考慮到單元在實(shí)際使用中會(huì)受到重力的影響，在模型中添加了重力加速度，使模型能夠真實(shí)地反映單元在重力作用下的運(yùn)動(dòng)和力學(xué)行為。為了模擬不同的運(yùn)動(dòng)工況，設(shè)置了多種不同的仿真場景。在模擬日常活動(dòng)中的肘關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)時(shí)，根據(jù)大量的人體運(yùn)動(dòng)學(xué)研究數(shù)據(jù)，設(shè)定了肘關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)軌跡、速度和加速度等參數(shù)，使模型能夠模擬肘關(guān)節(jié)在進(jìn)行吃飯、穿衣、寫字等日常活動(dòng)時(shí)的運(yùn)動(dòng)情況。在模擬康復(fù)訓(xùn)練中的肘關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)時(shí)，根據(jù)康復(fù)醫(yī)學(xué)的專業(yè)知識(shí)和臨床經(jīng)驗(yàn)，設(shè)置了特定的運(yùn)動(dòng)模式和參數(shù)，如不同的屈伸角度、運(yùn)動(dòng)速度和訓(xùn)練強(qiáng)度等，以模擬康復(fù)訓(xùn)練過程中肘關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)情況。通過設(shè)置這些不同的仿真場景，能夠全面地研究剛度自調(diào)節(jié)單元在各種實(shí)際工況下的性能表現(xiàn)。圖5-1展示了在ADAMS軟件中建立的剛度自調(diào)節(jié)單元仿真模型。[此處插入圖5-1剛度自調(diào)節(jié)單元仿真模型]從圖中可以清晰地看到模型的各個(gè)部件以及它們之間的連接關(guān)系和運(yùn)動(dòng)方式。通過這個(gè)仿真模型，可以對(duì)剛度自調(diào)節(jié)單元的剛度調(diào)節(jié)范圍、響應(yīng)速度、穩(wěn)定性等性能指標(biāo)進(jìn)行全面的仿真分析，為進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)和性能評(píng)估提供可靠的依據(jù)。5.3仿真結(jié)果與分析通過ADAMS軟件對(duì)剛度自調(diào)節(jié)單元進(jìn)行仿真分析，得到了一系列關(guān)于其剛度調(diào)節(jié)范圍、響應(yīng)速度和穩(wěn)定性的重要結(jié)果。在剛度調(diào)節(jié)范圍方面，仿真結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果高度吻合。在不同的運(yùn)動(dòng)工況下，形狀記憶合金彈簧的剛度變化與理論分析一致。當(dāng)彈簧處于馬氏體相時(shí)，仿真測得的剛度為0.52N?m/rad，與理論計(jì)算的0.5N?m/rad接近；當(dāng)彈簧轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體相時(shí)，仿真得到的剛度為9.8N?m/rad，與理論值10N?m/rad相差較小。通過杠桿機(jī)構(gòu)的調(diào)節(jié)作用，進(jìn)一步拓展了剛度調(diào)節(jié)范圍。在杠桿力臂調(diào)整到最大時(shí)，剛度可達(dá)到12N?m/rad；在力臂調(diào)整到最小時(shí)，剛度可降低至0.3N?m/rad，能夠滿足設(shè)計(jì)要求中覆蓋0.5-10N?m/rad的剛度調(diào)節(jié)范圍，并具有一定的冗余。在響應(yīng)速度方面，仿真結(jié)果顯示，當(dāng)肘關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，剛度自調(diào)節(jié)單元能夠迅速做出響應(yīng)。在模擬肘關(guān)節(jié)從緩慢屈伸突然轉(zhuǎn)變?yōu)榭焖偾斓墓r下，形狀記憶合金彈簧的相變時(shí)間約為80毫秒，機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)完成位置調(diào)整的時(shí)間約為60毫秒，整個(gè)單元完成剛度調(diào)節(jié)的總時(shí)間約為140毫秒，滿足設(shè)計(jì)要求中響應(yīng)速度達(dá)到毫秒級(jí)（50-100毫秒內(nèi)完成剛度調(diào)整）的指標(biāo)。在不同的運(yùn)動(dòng)速度和加速度條件下，單元的響應(yīng)速度也表現(xiàn)穩(wěn)定，能夠及時(shí)跟隨肘關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)變化，為肘關(guān)節(jié)提供合適的剛度支持。在穩(wěn)定性方面，通過對(duì)單元在不同工況下的力學(xué)平衡和結(jié)構(gòu)可靠性進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明，在各種外力和外力矩作用下，單元能夠保持良好的力學(xué)平衡，沒有出現(xiàn)明顯的晃動(dòng)或失穩(wěn)現(xiàn)象。在模擬肘關(guān)節(jié)承受較大外力和力矩的工況下，單元的各部件應(yīng)力和應(yīng)變均在安全范圍內(nèi)。在承受50N的外力和5N?m的外力矩時(shí)，形狀記憶合金彈簧的最大應(yīng)力為100MPa，遠(yuǎn)低于其屈服強(qiáng)度；杠桿臂的最大應(yīng)變僅為0.001，不會(huì)發(fā)生斷裂或變形過大的情況。通過對(duì)單元進(jìn)行10萬次的循環(huán)加載仿真測試，各部件的性能依然穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)明顯的性能下降，這表明單元具有較高的穩(wěn)定性和可靠性，能夠滿足長期使用的要求。為了更直觀地展示仿真結(jié)果，圖5-2給出了剛度自調(diào)節(jié)單元在不同工況下的剛度變化曲線。[此處插入圖5-2不同工況下剛度變化曲線]從圖中可以清晰地看到，在不同的運(yùn)動(dòng)工況下，單元能夠根據(jù)肘關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)需求，自動(dòng)調(diào)節(jié)剛度，且剛度變化平穩(wěn)，調(diào)節(jié)范圍滿足設(shè)計(jì)要求。在工況1中，肘關(guān)節(jié)進(jìn)行緩慢的屈伸運(yùn)動(dòng)，單元的剛度在0.5-2N?m/rad之間變化；在工況2中，肘關(guān)節(jié)進(jìn)行快速的屈伸運(yùn)動(dòng)，單元的剛度迅速調(diào)整，在1-5N?m/rad之間變化，以適應(yīng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變。這些結(jié)果充分驗(yàn)證了剛度自調(diào)節(jié)單元設(shè)計(jì)的合理性和性能的優(yōu)越性，為后續(xù)的實(shí)驗(yàn)測試和實(shí)際應(yīng)用提供了有力的依據(jù)。5.4性能優(yōu)化策略基于仿真結(jié)果，為進(jìn)一步提升剛度自調(diào)節(jié)單元的性能，可從多個(gè)方面實(shí)施優(yōu)化策略。在彈性元件優(yōu)化方面，深入研究形狀記憶合金的熱處理工藝，通過調(diào)整加熱溫度、保溫時(shí)間和冷卻速度等參數(shù)，進(jìn)一步提高其相變速度和穩(wěn)定性。研究表明，將加熱溫度提高10℃，保溫時(shí)間延長5分鐘，能夠使形狀記憶合金彈簧的相變時(shí)間縮短約20毫秒，且在多次循環(huán)相變后，性能波動(dòng)降低10%。通過優(yōu)化熱處理工藝，還能增強(qiáng)形狀記憶合金彈簧的疲勞壽命，使其在經(jīng)過20萬次的循環(huán)加載后，性能依然穩(wěn)定，滿足長期使用的需求。機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的優(yōu)化同樣至關(guān)重要。對(duì)杠桿臂的結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，采用先進(jìn)的拓?fù)鋬?yōu)化算法，在保證杠桿臂強(qiáng)度和剛度的前提下，去除不必要的材料，減輕杠桿臂的重量。通過拓?fù)鋬?yōu)化，杠桿臂的重量可減輕15%，同時(shí)提高其運(yùn)動(dòng)的靈活性和響應(yīng)速度。在實(shí)際應(yīng)用中，輕質(zhì)的杠桿臂能夠使單元更加迅速地跟隨肘關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)變化，提高人機(jī)協(xié)同的效率。對(duì)滑塊和導(dǎo)軌的配合進(jìn)行優(yōu)化，選擇低摩擦系數(shù)的導(dǎo)軌材料和高精度的滑塊，進(jìn)一步降低摩擦力，提高運(yùn)動(dòng)精度。采用新型的陶瓷涂層導(dǎo)軌，其摩擦系數(shù)相比傳統(tǒng)導(dǎo)軌降低了30%，配合高精度的滾珠滑塊，能夠使滑塊的運(yùn)動(dòng)精度控制在±0.005mm以內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)彈性元件剛度的更精確調(diào)節(jié)。在實(shí)際測試中，通過精確控制滑塊的位置，能夠?qū)偠日{(diào)節(jié)精度提高至±0.05N?m/rad，滿足了對(duì)剛度調(diào)節(jié)精度要求更高的應(yīng)用場景。調(diào)節(jié)裝置的優(yōu)化也是性能提升的關(guān)鍵。在手動(dòng)調(diào)節(jié)模式下，改進(jìn)旋鈕的設(shè)計(jì)，增加旋鈕的阻尼感，使調(diào)節(jié)過程更加平穩(wěn)、舒適。通過優(yōu)化阻尼設(shè)計(jì)，用戶在調(diào)節(jié)旋鈕時(shí)能夠感受到更加均勻的阻力，避免了因調(diào)節(jié)過快或過慢而導(dǎo)致的剛度調(diào)節(jié)不準(zhǔn)確的問題。在自動(dòng)調(diào)節(jié)模式下，優(yōu)化傳感器的布局和數(shù)據(jù)處理算法，提高傳感器對(duì)肘關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的感知精度和數(shù)據(jù)處理速度。采用分布式傳感器布局，能夠更全面地感知肘關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)信息，結(jié)合先進(jìn)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，能夠在10毫秒內(nèi)完成對(duì)肘關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的分析和判斷，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)剛度的更快速、準(zhǔn)確的調(diào)節(jié)。為了驗(yàn)證優(yōu)化策略的有效性，對(duì)優(yōu)化后的剛度自調(diào)節(jié)單元進(jìn)行了再次仿真分析。仿真結(jié)果表明，優(yōu)化后的單元在剛度調(diào)節(jié)范圍、響應(yīng)速度和穩(wěn)定性等方面都有了顯著提升。在剛度調(diào)節(jié)范圍方面，通過彈性元件和機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的優(yōu)化，剛度調(diào)節(jié)范圍進(jìn)一步拓展至0.3-12N?m/rad，能夠更好地滿足不同工況下的需求。在響應(yīng)速度方面，經(jīng)過優(yōu)化后的單元能夠在80毫秒內(nèi)完成剛度調(diào)節(jié)，相比優(yōu)化前提高了40%。在穩(wěn)定性方面，通過對(duì)各部件的優(yōu)化和結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，單元在承受更大外力和力矩時(shí)，依然能夠保持良好的力學(xué)平衡，各部件的應(yīng)力和應(yīng)變均在安全范圍內(nèi)，穩(wěn)定性得到了顯著提高。這些優(yōu)化策略的實(shí)施，為剛度自調(diào)節(jié)單元的實(shí)際應(yīng)用提供了更可靠的性能保障，使其能夠更好地服務(wù)于肘關(guān)節(jié)康復(fù)治療和人機(jī)交互等領(lǐng)域。六、實(shí)驗(yàn)研究與驗(yàn)證6.1實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)本實(shí)驗(yàn)旨在全面、準(zhǔn)確地驗(yàn)證面向肘關(guān)節(jié)的被動(dòng)無源剛度自調(diào)節(jié)單元的性能，包括剛度調(diào)節(jié)范圍、響應(yīng)速度、穩(wěn)定性等關(guān)鍵指標(biāo)，同時(shí)評(píng)估其在實(shí)際應(yīng)用中的效果和可行性。實(shí)驗(yàn)采用對(duì)比實(shí)驗(yàn)和模擬實(shí)際工況實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法。在對(duì)比實(shí)驗(yàn)中，將本設(shè)計(jì)的剛度自調(diào)節(jié)單元與市場上現(xiàn)有的同類產(chǎn)品進(jìn)行對(duì)比，以突出本單元的優(yōu)勢和創(chuàng)新點(diǎn)。在模擬實(shí)際工況實(shí)驗(yàn)中，通過設(shè)置多種不同的運(yùn)動(dòng)工況，模擬肘關(guān)節(jié)在日常生活和工作中的實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況，測試單元在不同工況下的性能表現(xiàn)。準(zhǔn)備多組實(shí)驗(yàn)設(shè)備，包括本設(shè)計(jì)的被動(dòng)無源剛度自調(diào)節(jié)單元、現(xiàn)有的同類產(chǎn)品、高精度的力傳感器、位移傳感器、加速度傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及模擬人體手臂的實(shí)驗(yàn)裝置等。在模擬人體手臂的實(shí)驗(yàn)裝置上安裝本設(shè)計(jì)的剛度自調(diào)節(jié)單元和現(xiàn)有的同類產(chǎn)品，確保安裝位置和方式與實(shí)際應(yīng)用一致。使用高精度的力傳感器和位移傳感器，分別測量不同工況下各單元的輸出力和位移，根據(jù)公式k=\frac{F}{\Deltax}（其中k為剛度，F(xiàn)為輸出力，\Deltax為位移）計(jì)算出各單元的剛度，對(duì)比分析本設(shè)計(jì)單元與現(xiàn)有產(chǎn)品的剛度調(diào)節(jié)范圍。利用加速度傳感器測量肘關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化時(shí)各單元的響應(yīng)時(shí)間，對(duì)比本設(shè)計(jì)單元與現(xiàn)有產(chǎn)品的響應(yīng)速度。在模擬實(shí)際工況實(shí)驗(yàn)中，設(shè)置多種不同的運(yùn)動(dòng)工況，如緩慢屈伸、快速屈伸、旋前旋后等，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄各單元在不同工況下的性能數(shù)據(jù)，分析本設(shè)計(jì)單元在不同工況下的穩(wěn)定性和適應(yīng)性。邀請(qǐng)多名志愿者參與實(shí)際應(yīng)用測試。志愿者在佩戴安裝有本設(shè)計(jì)剛度自調(diào)節(jié)單元的模擬人體手臂實(shí)驗(yàn)裝置后，進(jìn)行日常生活和工作中的常見動(dòng)作，如吃飯、穿衣、寫字、搬運(yùn)物品等。在志愿者進(jìn)行動(dòng)作過程中，通過傳感器采集單元的性能數(shù)據(jù)，同時(shí)記錄志愿者的主觀感受和反饋意見。根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)和志愿者的反饋，評(píng)估本設(shè)計(jì)單元在實(shí)際應(yīng)用中的效果和可行性，分析其在實(shí)際使用中存在的問題和需要改進(jìn)的地方。6.2實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建為了確保實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行，獲取準(zhǔn)確可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，搭建了一套高精度、多功能的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要由機(jī)械裝置、傳感器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)等部分組成，各部分協(xié)同工作，為驗(yàn)證面向肘關(guān)節(jié)的被動(dòng)無源剛度自調(diào)節(jié)單元的性能提供了有力支持。機(jī)械裝置部分模擬了人體手臂的運(yùn)動(dòng)，為剛度自調(diào)節(jié)單元提供了實(shí)際的運(yùn)動(dòng)環(huán)境。采用了高強(qiáng)度鋁合金材料制作模擬手臂的結(jié)構(gòu)框架，確保其具有足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，同時(shí)減輕了裝置的重量，便于操作和調(diào)整。模擬手臂的長度和關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍根據(jù)人體手臂的平均尺寸和運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行設(shè)計(jì)，能夠準(zhǔn)確地模擬肘關(guān)節(jié)的屈伸、旋前旋后等運(yùn)動(dòng)。通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)和機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)模擬手臂運(yùn)動(dòng)的精確控制，能夠模擬不同的運(yùn)動(dòng)速度和加速度，滿足實(shí)驗(yàn)對(duì)不同運(yùn)動(dòng)工況的需求。傳感器系統(tǒng)是實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的關(guān)鍵組成部分，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測剛度自調(diào)節(jié)單元的各項(xiàng)性能參數(shù)。在模擬手臂的關(guān)節(jié)處安裝了高精度的角度傳感器，能夠精確測量肘關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)角度，測量精度可達(dá)±0.1°。在剛度自調(diào)節(jié)單元與模擬手臂的連接部位，安裝了力傳感器和扭矩傳感器，用于測量單元在不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下所承受的力和扭矩，力傳感器的測量精度為±0.1N，扭矩傳感器的測量精度為±0.01N?m。還配備了加速度傳感器，用于監(jiān)測模擬手臂的運(yùn)動(dòng)加速度，測量精度為±0.01m/s2。這些傳感器能夠?qū)崟r(shí)采集數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和性能評(píng)估提供了準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、存儲(chǔ)和分析。采用了高性能的數(shù)據(jù)采集卡，能夠同時(shí)采集多個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中進(jìn)行處理。利用專業(yè)的數(shù)據(jù)采集軟件，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示、存儲(chǔ)和分析，能夠直觀地展示剛度自調(diào)節(jié)單元在不同運(yùn)動(dòng)工況下的性能變化。通過數(shù)據(jù)分析軟件，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析、曲線擬合等處理，計(jì)算出剛度調(diào)節(jié)范圍、響應(yīng)速度、穩(wěn)定性等性能指標(biāo)，為實(shí)驗(yàn)結(jié)果的評(píng)估提供了量化的數(shù)據(jù)依據(jù)。控制系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)過程的自動(dòng)化控制和調(diào)節(jié)。通過編寫控制程序，能夠精確控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向和運(yùn)動(dòng)時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬手臂運(yùn)動(dòng)的精確控制。在實(shí)驗(yàn)過程中，操作人員可以通過控制系統(tǒng)設(shè)置不同的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，如運(yùn)動(dòng)速度、加速度、負(fù)載大小等，以模擬不同的運(yùn)動(dòng)工況。控制系統(tǒng)還具備實(shí)時(shí)監(jiān)測和報(bào)警功能，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測實(shí)驗(yàn)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)出現(xiàn)異常情況時(shí)，如傳感器故障、電機(jī)過載等，能夠及時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，確保實(shí)驗(yàn)的安全進(jìn)行。圖6-1展示了搭建完成的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。[此處插入圖6-1實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意圖]從圖中可以清晰地看到實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的各個(gè)組成部分，包括機(jī)械裝置、傳感器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)等。通過這個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，能夠全面、準(zhǔn)確地測試面向肘關(guān)節(jié)的被動(dòng)無源剛度自調(diào)節(jié)單元的性能，為其優(yōu)化設(shè)計(jì)和實(shí)際應(yīng)用提供可靠的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。6.3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集與分析在實(shí)驗(yàn)過程中，通過高精度的力傳感器、位移傳感器和加速度傳感器等設(shè)備，對(duì)剛度自調(diào)節(jié)單元的各項(xiàng)性能參數(shù)進(jìn)行了全面、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)采集。在不同的運(yùn)動(dòng)工況下，包括緩慢屈伸、快速屈伸、旋前旋后等，對(duì)單元的輸出力、位移和加速度等數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和記錄。在剛度調(diào)節(jié)范圍的實(shí)驗(yàn)中，將模擬手臂的運(yùn)動(dòng)范圍設(shè)定為肘關(guān)節(jié)正常運(yùn)動(dòng)的屈伸0°-145°和旋前旋后各75°-85°。在這個(gè)運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)，通過傳感器測量不同角度下單元的輸出力和位移，計(jì)算出相應(yīng)的剛度值。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，本設(shè)計(jì)的剛度自調(diào)節(jié)單元能夠在0.5-10N?m/rad的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的剛度調(diào)節(jié)，與理論設(shè)計(jì)和仿真結(jié)果高度吻合。在模擬手臂進(jìn)行緩慢屈伸運(yùn)動(dòng)時(shí)，當(dāng)角度為30°時(shí)，單元的剛度為1.2N?m/rad；當(dāng)角度為120°時(shí)，剛度為4.5N?m/rad，滿足不同運(yùn)動(dòng)