基于行走步態(tài)的被動(dòng)式重力支撐柔性下肢外骨骼系統(tǒng).pdf

1、膝關(guān)節(jié)是人體最重要的關(guān)節(jié)之一，膝關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎(OA)是膝關(guān)節(jié)中最普遍的關(guān)節(jié)疾病。研究表明，膝關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)生與人體生理和心理因素有關(guān)，其中膝關(guān)節(jié)負(fù)載過(guò)大是一個(gè)重要原因。然而，膝關(guān)節(jié)在日?；顒?dòng)中一直受到高強(qiáng)度的載荷，比如行走、爬樓梯、下樓梯和雙腿站立。為了預(yù)防膝關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎的病變、減輕患者行走時(shí)的疼痛感，本文設(shè)計(jì)、分析了一種被動(dòng)式重力支撐下肢外骨骼系統(tǒng)，利用下肢柔性關(guān)節(jié)減輕膝關(guān)節(jié)中的負(fù)載壓力。
　　人體行走步態(tài)通常分為支撐相和擺動(dòng)

2、相。在支撐相，膝關(guān)節(jié)具有將人體體重傳遞到地面的功能;在擺動(dòng)相，膝關(guān)節(jié)自由屈曲使得下肢擺動(dòng)。由于人體膝關(guān)節(jié)內(nèi)力和內(nèi)力矩很難直接測(cè)量，本文建立了下肢行走動(dòng)力學(xué)模型和膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)模型，用于計(jì)算膝關(guān)節(jié)脛骨和股骨之間的正向作用力。基于足底壓力和下肢關(guān)節(jié)角度的測(cè)量，上述模型計(jì)算得到的膝關(guān)節(jié)內(nèi)力結(jié)果與人體實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比相符，證明了模型的準(zhǔn)確性。
　　人體不穿戴外骨骼行走時(shí)，膝關(guān)節(jié)是一個(gè)開環(huán)運(yùn)動(dòng)鏈，膝關(guān)節(jié)沒(méi)有額外的外力負(fù)載。當(dāng)人體穿戴上外骨骼行走

3、時(shí)，人體膝關(guān)節(jié)和外骨骼膝關(guān)節(jié)組成了一個(gè)人機(jī)閉環(huán)運(yùn)動(dòng)鏈，如果外骨骼自由度不足以容納人體膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，比如人機(jī)關(guān)節(jié)中心不對(duì)心或者運(yùn)動(dòng)學(xué)不匹配，外骨骼很容易對(duì)人體關(guān)節(jié)造成傷害。本文提出了一個(gè)相對(duì)完整的人機(jī)膝關(guān)節(jié)耦合模型，分析了人機(jī)耦合閉環(huán)運(yùn)動(dòng)鏈的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)，定量化描述了不同外骨骼結(jié)構(gòu)對(duì)人體膝關(guān)節(jié)的影響。實(shí)驗(yàn)證明，一種包含旋轉(zhuǎn)滑槽和凸輪的自適應(yīng)膝關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)能夠有效減小人機(jī)物理交互導(dǎo)致的膝關(guān)節(jié)內(nèi)力和內(nèi)力矩，能夠較好地匹配人體生理膝關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)，減

4、小對(duì)人體膝關(guān)節(jié)的損傷。
　　基于膝關(guān)節(jié)對(duì)人體行走步態(tài)擺動(dòng)相和支撐相的分類，重力支撐下肢外骨骼系統(tǒng)具有重力支撐和關(guān)節(jié)耦合的雙重功能。在支撐相，外骨骼膝關(guān)節(jié)將重力傳遞到踝關(guān)節(jié)彈簧，髖關(guān)節(jié)彈簧回收能量。在擺動(dòng)相，膝關(guān)節(jié)自由屈曲，髖關(guān)節(jié)彈簧釋放能量驅(qū)動(dòng)外骨骼?；谥蜗嗪蛿[動(dòng)相的不同支撐力和膝關(guān)節(jié)角度的步態(tài)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)雙卡扣機(jī)構(gòu)，仿真和實(shí)驗(yàn)證明了自適應(yīng)膝關(guān)節(jié)在支撐相的鎖扣和擺動(dòng)相的自由轉(zhuǎn)動(dòng)上的功能。實(shí)驗(yàn)證實(shí)了人體穿戴和沒(méi)有穿戴外骨骼后的下肢

5、關(guān)節(jié)軌跡沒(méi)有明顯改變，外骨骼對(duì)人體步態(tài)沒(méi)有影響。減小的足底壓力和膝關(guān)節(jié)內(nèi)力證明了外骨骼能夠支撐人體重力的20％，髖關(guān)節(jié)彈簧回收的能量能夠節(jié)約61.5％的被動(dòng)外骨骼運(yùn)動(dòng)的能量。
　　最后，針對(duì)人機(jī)協(xié)同運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了外骨骼對(duì)人體步態(tài)的智能感知和跟隨。髖關(guān)節(jié)角度傳感器感知到人體行走步態(tài)參數(shù)，即角度的最大值、最小值和步態(tài)周期，外骨骼能夠感知、記錄、分析人體行走的步態(tài)變化?；趯?duì)人體步態(tài)的感知，協(xié)調(diào)控制左右腳步態(tài)。以髖關(guān)節(jié)為例，實(shí)時(shí)感知右髖關(guān)