13、膝关节与PCR自动化研究：从原型到实践

膝关节与PCR自动化研究：从原型到实践

膝关节机制原型实验表征

人类膝关节的运动十分复杂，它不仅包含小腿相对于大腿的主要旋转运动，还存在由滑动引起的额外平移运动，因此即使在矢状面的屈伸运动中，膝关节也是一个具有两个自由度的关节。膝关节的瞬时旋转中心（ICR）会随着屈曲角度的变化而改变位置，这一特性常被用于表征膝关节的运动。

为了再现这种复杂的运动，研究人员设计了各种膝关节机制。一些机制模仿人类关节的结构，基于骨骼形状或使用凸轮和凹槽来实现类似的运动；另一些则尝试通过应用齿轮或四杆机构来模拟这种运动。

本次研究重点实验测试了两种开发的膝关节初步原型：
1. 阻尼器原型 ：基于线性可调的交叉四杆机构。借助额外的棱柱关节（2个补充自由度），它可以实时调整其尺寸，以模拟各种ICR轨迹。
2. 凸轮原型 ：使用凸轮机构。协作的凸轮轮廓是根据膝关节ICR的固定和移动质心塑造的。

这两个原型均使用3D打印元件构建，并通过初始实验结果进行表征。实验在实验室中进行，包括两种模式：在固定框架上的动力原型测试和由人类志愿者佩戴原型进行测试。研究特别强调了与人类志愿者进行的试验，通过IMU传感器测量机制的运动，但主要通过分析视频记录和跟踪彩色标记来详细研究。使用Matlab进行后处理，得到的结果以图表和数值形式呈现，包括选定胫骨点的运动轨迹和计算出的膝关节屈伸角度，以此来表征原型的能力。

实验模式及相关变量如下表所示：
| 序号 | 实验模式 | 保存变量 | 输出参数 |
| — | — | — | — |
| 1 | 框架，阻尼器原型