用于下蹲时重力支撑的下肢外骨骼设计和分析

发布时间：2020-09-07 17:32

　　长时间保持站立或某种角度蹲姿容易对人体肌肉造成损伤,轻则造成肌肉持续疼痛,重则引发职业性肌肉骨骼疾病(WMSDs)。在美国WMSDs占所有职业疾病的65%,我国某些职业如装配工WMSDs发病率高达90%,WMSDs给人类健康造成巨大威胁。为了预防WMSDs或缓解患者肌肉的疼痛,本文设计了一种新型重力支撑下肢外骨骼,用于支撑人体下蹲时的部分体重,以达到减小关节力,从而分担部分肌肉力的功效。首先以人体为研究对象,将躯干、大腿、小腿和足部等效为等质量刚性杆,将髋、膝和踝关节等效为铰链,建立了人体四杆模型,利用Vicon运动捕捉系统实验测量的人体下蹲过程中关节角度,结合模型计算关节内力,解决了关节内力难以直接测量的难题。模型计算与实验测量的足底压力结果一致,证明人体四杆模型的正确性。通过模型计算人体保持某种蹲姿时各个关节力,为结构设计奠定理论基础。基于关节内力的计算结果,设计开发了一种质量轻、造价低、功耗低、穿戴舒适且可以自动控制膝关节自锁的重力支撑外骨骼。在外骨骼机构设计方面,将人体膝关节视为铰链,分析并设计了棘轮自锁及其控制机构;为了使外骨骼能够适用于身高范围在1.5~1.8米的人群,设计了长度调节机构。针对自锁控制问题,设计了基于膝关节角度变化驱动的控制系统,用于解放用户双手;为了计算控制系统功耗大小,模拟了装配工人穿戴外骨骼工作的场景,计算结果表明:外骨骼每次充满电可供装配线工人使用5天。在此基础上,对外骨骼穿戴舒适性进行仿真分析,将外骨骼和人体肌肉骨骼系统分析软件Opensim中的Gait2392型下肢肌肉骨骼模型耦合,分析比较人体穿戴外骨骼前后(外骨骼不自锁)正常行走和下蹲时肌肉力和肌肉代谢的变化。仿真结果中的肌肉力和肌肉代谢大小基本不变,表明外骨骼对人体行走和下蹲运动影响较小,外骨骼结构设计合理。此外,利用Opensim证实了人机膝关节同轴下肢重力支撑外骨骼穿戴更加舒适,验证了文中外骨骼结构设计的合理性。最后,制作了实物样机,并通过实验分析其性能。利用Vicon运动捕捉系统,分析外骨骼对人体行走步态的影响,实验结果证明:外骨骼对人体行走步态影响较小;利用AMTI OR60测力板测量人体下蹲时足底压力,联合Opensim软件计算外骨骼支撑人体时肌肉力和肌肉代谢大小的变化,计算结果表明:人体穿戴外骨骼保持90度蹲姿时,足底压力减少65.16%,股直肌肌肉力减少54.05%,股外侧肌肌肉力减少32.8%;实验测定外骨骼支撑人体时肌肉肌电信号的变化,结果表明:外骨骼支撑人体90度蹲姿时,股直肌和股外侧肌肌电幅值分别降低93.2%和88.96%。仿真和实验结果表明设计的外骨骼能够支撑人体下蹲时部分体重,实现减少肌肉力的目的,且对人体下肢运动影响较小。
【学位单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TP242
【部分图文】：

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(a)外骨骼实物图 (b)外骨骼原理图图 1-3 Honda 重力支撑外骨骼系统渥太华-卡尔顿生物医学工程研究所 Zlatko Lovrenovic 等，针对人由于口老龄化肥胖引起骨关节炎和糖尿病患病率上升的问题，设计了一款步行辅助外骨骼用于助老年人保持行动能力[16]，如图 1-4 所示。该辅助外骨骼为纯被动式外骨骼，穿戴穿戴外骨骼行走时，通过座椅机构的位移拉伸弹簧，进而在使用者的骨盆上产生向

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(a)辅助行走外骨骼模型图 (b)辅助行走外骨骼原理图图 1-4 渥太华-卡尔顿生物医学工程研究所辅助外骨骼由 S. Krut 等人创建的 MoonWalke[17]，如图 1-5 所示。该装置由四个单元组成腿杆、两个定制鞋、一个力平衡器以及力传递机构。两个腿杆是弯曲的，以便期间不干扰穿戴者的腿。每个腿杆结构的上端连接到刚性梁，该刚性梁是力传的一部分。在运动期间，线性致动器将刚性梁移向支撑腿。通过这样做，地面力的一部分将通过支撑腿传输并指向用户的骨盆，以达到支撑人体部分体重。该外骨骼想法新颖，但结构复杂，质量较重。

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如图1-6 所示。它的主要工作原理是当人体处于行走支撑相时，通过柔性外骨骼系统将人体重力作用在膝关节的力部分传递到地面，进而减少用户患膝关节骨关节炎的风险。此外该外骨骼系统设计了仿生膝关节与一般的铰链膝关节不同，它同时存在滚动和滑动两种运动方式，使其穿戴更加的舒服。此外作者还对比了穿戴外骨骼前后，穿戴者步态变化以及足底压力变化的实验。实验证明，穿戴外骨骼前后穿戴者行走步态没有明显的变化，足底压力有明显降低。该外骨骼主要优点在于结构简单，质量较轻，穿戴舒适。但它的减重大小受小腿杆支撑弹簧刚度影响，人体穿戴外骨骼后，长度调节不方便。(a)外骨骼总体模型图 (b)外骨骼支撑体重原理图图 1-6 柔性重力支撑外骨骼西安交通大学学生面向生产线装配工人设计了一款被动式的用于支撑人体体重的外骨骼[19]，如图 1-7 所示。这是一款纯被动式的外骨骼，工作时不需要外部电源和控制元件。该外骨骼还设计了一种可以调整三种蹲姿的滑块机构，通过调整坐姿来适应不同条件的需要。它机械结构简单，质量较轻，双腿约 2.5kg，外骨骼通过绑带绑

【参考文献】