基于行走步态的被动式重力支撑柔性下肢外骨骼系统

发布时间：2019-09-25 05:12

【摘要】：膝关节是人体最重要的关节之一,膝关节骨关节炎(OA)是膝关节中最普遍的关节疾病。研究表明,膝关节骨关节炎的发生与人体生理和心理因素有关,其中膝关节负载过大是一个重要原因。然而,膝关节在日常活动中一直受到高强度的载荷,比如行走、爬楼梯、下楼梯和双腿站立。为了预防膝关节骨关节炎的病变、减轻患者行走时的疼痛感,本文设计、分析了一种被动式重力支撑下肢外骨骼系统,利用下肢柔性关节减轻膝关节中的负载压力。人体行走步态通常分为支撑相和摆动相。在支撑相,膝关节具有将人体体重传递到地面的功能；在摆动相,膝关节自由屈曲使得下肢摆动。由于人体膝关节内力和内力矩很难直接测量,本文建立了下肢行走动力学模型和膝关节生物力学模型,用于计算膝关节胫骨和股骨之间的正向作用力。基于足底压力和下肢关节角度的测量,上述模型计算得到的膝关节内力结果与人体实验结果对比相符,证明了模型的准确性。人体不穿戴外骨骼行走时,膝关节是一个开环运动链,膝关节没有额外的外力负载。当人体穿戴上外骨骼行走时,人体膝关节和外骨骼膝关节组成了节个人机闭环运动链,如果外骨骼自由度不足以容纳人体膝关节的运动,比如人机关节中心不对心或者运动学不匹配,外骨骼很容易对人体关节造成伤害。本文提出了一个相对完整的人机膝关节耦合模型,分析了人机耦合闭环运动链的运动学、动力学,定量化描述了不同外骨骼结构对人体膝关节的影响。实验证明,一种包含旋转滑槽和凸轮的自适应膝关节机构能够有效减小人机物理交互导致的膝关节内力和内力矩,能够较好地匹配人体生理膝关节的结构,减小对人体膝关节的损伤。基于膝关节对人体行走步态摆动相和支撑相的分类,重力支撑下肢外骨骼系统具有重力支撑和关节耦合的双重功能。在支撑相,外骨骼膝关节将重力传递到踝关节弹簧,髋关节弹簧回收能量。在摆动相,膝关节自由屈曲,髋关节弹簧释放能量驱动外骨骼。基于支撑相和摆动相的不同支撑力和膝关节角度的步态特点,设计双卡扣机构,仿真和实验证明了自适应膝关节在支撑相的锁扣和摆动相的自由转动上的功能。实验证实了人体穿戴和没有穿戴外骨骼后的下肢关节轨迹没有明显改变,外骨骼对人体步态没有影响。减小的足底压力和膝关节内力证明了外骨骼能够支撑人体重力的20%,髋关节弹簧回收的能量能够节约61.5%的被动外骨骼运动的能量。最后,针对人机协同运动,实现了外骨骼对人体步态的智能感知和跟随。髋关节角度传感器感知到人体行走步态参数,即角度的最大值、最小值和步态周期,外骨骼能够感知、记录、分析人体行走的步态变化。基于对人体步态的感知,协调控制左右脚步态。以髋关节为例,实时感知右髋关节的角度,在得到右髋关节的步态参数后,延时半个周期,将右髋关节的步态参数“复制”给左髋关节,实现左脚相对于右脚的步态跟随。本文提出了一种基于行走步态的被动式重力支撑柔性下肢外骨骼,系统性地阐述了其设计原理和设计方法,实验验证了其对于人体关节耦合和行走步态中重力支撑的有效性。
【图文】：

膝关节,两杆机构,六自由度

主要运动是在一个平面上的转动运动，次要运动是在另一面的弯曲和伸展运逡逑动（困１－１邋（ｂ）邋［ｉｓ］）。为了临床上系统的标准化统计，有学者将膝关节建模为六逡逑个自由度关节，Ｗ便于将膝关节的运动检测数据进行统计对比（图１－１邋（Ｃ）［ｌ９］）。逡逑e$—修逡逑＼邋６邋Ｓ．邋１逦ＭQ啠眨㈠危茫希危模伲蹋希桑腻巍B逡逑（ａ）逦似逦似逡逑＂Ｉ逦逦逦＇逦’逦１￣￣．邋邋６０邋，逡逑Ｉ．琴逦＇逦ｐｗ逦Ｉ逡逑－规逦置逦４０＾逦Ｂｉｏ邋Ｊｏｉｎ．邋Ｐｉｎ邋Ｊｏｉｎ．逡逑＇Ｉ逦ｊｆ逦Ｎｋ、ｅｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎ逡逑Ｉ逦２０；＇邋。二＂－３逦＾逡逑二彲逡逑－Ｈ拍逦＾逦ｊ）逦备邋ｉ逦＇逡逑．１２０邋＊逦逦逦逦逦．邋逦０邋２０邋４０邋６０邋８０邋１００逡逑０邋２０邋４０邋６０邋ＳＯ邋１００邋１２０逦Ｆｌｅｘｉｏｎ邋ａｎｇｌｅ邋（ｄｅｇｒｅｅ）逡逑（ｄ）逦（ｅ）逡逑图１－１膝关节模型逡逑（ａ）校链膝关节Ｗ；邋（ｂ）膝关节踩模型［ｉｓ］；邋（ｃ）六自由度膝关节模型（ｄ）膝关节滚动和滑逡逑动ＰＷ；邋（ｅ）由于两杆机构造成的膝关节内为损伤ＰＷ逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１－１邋Ｋｎｅｅ邋ｊｏｉｎｔ邋ｍｏｄｅｌｓ：邋（ａ）邋Ｐｉｎｎｅｄ邋ｋｎｅｅ；邋（ｂ）邋ｋｎｅｅ邋ｃｏｎｄｙｌｅ邋ｍｏｄｅｌ；邋（ｃ）邋６－ＤＯＦｓ邋ｋｎｅｅ邋ｍｏｄｅｌ；邋（ｄ）逡逑Ｋｎｅｅ邋ｒｏｌｌｓ邋ａｎｄ邋ｓｌｉｄｅｓ；邋（ｅ）邋Ｌａｒｇｅ邋ｋｎｅｅ邋ｉｎ化ｍａｌ邋ｆｏｒｃｅ邋ｄｕｅ邋阳邋ｔｗｏ－ｌｉｎｋ邋ｍｅｃｈａｎｉｓｍ；逡逑因此，在设计外骨骼关节时，必须考虑生物关节的自然运动和生理学特性。逡逑Ｗ膝关节为例

辅助行

１．２．１下肢外骨格重力支捧技术研究进展逡逑利用下肢外骨骼支撑人体行走时的重为的想法始于１８９０年美国专利局授予逡逑Ｙａｇｎ的＂辅助行走、跑步及跳跃的装置＂（图１－２）邋［２８］。他的发明包括与下肢并逡逑联的长条状弓形板灻，目的是增强人体行走、跑步和跳跃的能为。每块板灻在脚逡逑触地时扣住地面并发生微小变形收缩，将人体的部分体重通过板灻变形传递到地逡逑面，从而减小下肢的体重支撑力。当人的脚脱离地面时，与人并联的扳尰脱离人逡逑体，人体下肢可Ｗ自由运动，不受到板灻的干扰。然而这个设计并未付请实验验逡逑证，，没有可查资料表明这个设计能够成功实施。逡逑１１１１逡逑图１－２辅助行走、跑步、跳妖的堓置逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１－２邋Ａｐｐａｒａｔｕｓ邋ｆｏｒ邋ｆａｃｉｌｉｔａｔｉｎｇ邋ｗａｌｋｉｎｇ，邋ｒｕｎｎｉ打ｇ，ａｎｄ邋ｊｕｍｐｉｎｇ逡逑５逡逑
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：R684.3;R318.01

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