近日，williamhill威廉希尔官网重大装备设计与控制工程研究所郭为忠教授团队在仿生关节设计领域取得新进展，团队以人体膝关节的复杂运动模式为生物模板，建立了仿生建模框架，提出了仿生关节机构综合方法，并开发出具备复杂运动能力的新型单自由度变瞬心关节（VICR关节）。研究成果分别以“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”为题，发表在国际机构学期刊Mechanism and Machine Theory（MMT）上。论文第一作者均为博士生朱高晗，通讯作者为郭为忠教授。
生物关节与机器人关节存在显著差异，在运动过程中，股骨相对于胫骨的瞬时旋转中心不断变化，呈现出典型的变瞬心运动模式，在机械系统的关节中准确复现这类复杂运动仍面临技术挑战。研究团队以机构学理论为工具，深入解析人体膝关节生理结构的运动机制，提出受人体膝关节启发的仿生关节设计新理念：将胫股关节建模为共轭接触的高副关节，将交叉韧带等效为维持单自由度运动所需的约束，将附着肌肉等效为含输入的运动链。该理念构建了从生物关节“骨骼-韧带-肌肉”到仿生关节“共轭高副+约束+主动运动链”的映射范式，形成了仿生建模新框架，为实现复杂运动的仿生关节设计提供了理论基础。
在此基础上，团队进一步研究了仿生关节的机构实现与综合方法。针对仿生关节中的共轭高副，提出了高副关节的轮廓综合方法，实现了面向目标运动的关节元素轮廓几何设计。针对仿生关节机构的拓扑结构，发展了以运动生成任务为导向的含高副机构结构综合方法，为具备高仿生性与运动准确生成能力的仿生关节机构创新设计提供了理论工具。基于所提出的概念与方法，研究发现并构建了三种全新的四构件仿生关节机构，并验证了其结构可行性与功能有效性。
基于所建立的仿生关节设计方法，研究团队提出单自由度变瞬心关节（VICR关节）新概念。该新型关节以“多点接触+单自由度运动”为核心设计理念，通过关节元素轮廓的几何设计，在仅保留一个自由度的前提下实现了变瞬心复杂关节运动，兼具结构紧凑性与运动灵活性，有效突破了目前单自由度关节难以实现人体关节复杂运动的技术难题。
在性能分析方面，研究团队基于旋量理论引入广义压力角指标，系统评价了VICR关节在不同接触点数量条件下的约束能力。同时，研究提出了约束性能的几何化表征方法，将仿生关节复杂的运动-力约束关系转化为接触轮廓法线之间的几何关系，为关节元素的轮廓设计与优化提供了理论工具。
针对高副结构固有的接触脱离问题，团队探究了高副关节的形封闭机制，提出三条等价的形封闭准则，证明得出“在二维平面运动中至少需要三点同时接触才能实现VICR关节的形封闭”的论断。在此基础上，团队建立了关节封闭空间的可视化分析方法，为设计阶段预判和保障关节的封闭性提供了系统化依据。
团队开展了理论的应用验证工作，以人体膝关节矢状面运动的复现为示例，系统展示了三种典型VICR关节的元素轮廓设计、约束性能分析与形封闭能力判定的完整流程，并通过实物试验验证了所提方法的可行性与有效性。
通过系统研究，研究团队构建了涵盖仿生设计新理念、仿生关节综合与性能评价的系统化方法体系，为复现人体关节复杂运动的仿生关节设计提供了新范式。在此基础上研究提出了一种新型的单自由度变瞬心关节，既丰富了平面关节类型，也为外骨骼、假肢等人机相容装置的关节仿生设计提供了理论方法与工具。
郭为忠教授团队致力于解决现代机构学与并联机器人领域的前沿基础科学问题及其关键技术，旨在通过基础理论突破，推动机器人与航空航天等重大工程应用领域的装备创新发展，近年来在Mechanism and Machine Theory、ASME Transactions-Journal of Mechanisms and Robotics、ASME Transactions-Journal of Mechanical Design、IEEE Transactions on Robotics期刊发表研究论文30余篇。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.mechmachtheory.2024.105832
https://doi.org/10.1016/j.mechmachtheory.2025.106154
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