人体髋关节肌肉-肌腱-外肌腱一体化建模与实验验证

发布时间：2024-07-01 22:24

　　下肢被动外骨骼在降低人体行走代谢能消耗、增强行走耐力方面具有潜在优势,研发实用的外骨骼装置具有重要的科学意义和迫切的现实需求。本论文借鉴人体生物肌腱组织独特的能量高效转化特性,开展弹性外肌腱辅助下的人体髋关节肌肉肌腱生物力学建模与仿真研究,揭示外肌腱作用下的人体下肢肌骨系统生物力学行为与能量转化规律,并据此开发了可降低行走代谢能消耗的髋关节被动外骨骼装置。论文研究成果为减小人体行走代谢能消耗的外骨骼设计提供了创新性的解决方案,为用工程科学的方法增强人体运动能力提供了支撑。主要研究工作包括:(1)弹性外肌腱的提出与嵌入原理。结合人体生物肌腱的储能、释能特性及其对代谢能的影响机理,研究了人体生物肌腱的功能仿生设计原理,提出了在关节负功拉伸储能、正功收缩释能的弹性外肌腱嵌入方法。结合行走过程中髋关节关节功率及肌电变化特征,确定了弹性外肌腱驱动的髋关节被动外骨骼设计方案。(2)髋关节肌骨模型构建方法。以Hill三元素肌肉模型为基础,结合关节几何学与人体解剖学理论,以肌肉力-肌肉长度-肌肉收缩速度之间的特征关系为约束,通过最小化模型输出力矩与人体关节生物力矩之间的差异来优化模型参数,建立了可复现...

【文章页数】：70 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

图1.1踝关节被动外骨骼装置

华中科技大学硕士学位论文上的代谢能消耗，但是与不穿戴外骨骼装置相比，该装置仅能在上减少12%的代谢能消耗，这表明装置重量对代谢能结果造成了于弹簧刚度及初始长度的选取缺乏科学的优化设计方法，使得该最大辅助效应。而随后，肌肉层面的超声波实验研究进一步表明比目鱼....

图1.2膝关节被动外骨骼装置

华中科技大学硕士学位论文虑到装置自身重量所带来的影响，这表明该装置确有一定的辅助效应应相当于人体携带该装置行走所需消耗的额外代谢能。尽管该研究证下肢关节做负功同样可以减少代谢能消耗，但是，如何辅助可使得代常水平以下仍是一个有待解决的问题。

图1.3多关节被动外骨骼装置

利用弹性绳索、滑轮和连杆机构，设计了一种随人体下肢动拉伸的被动外骨骼[26]（图1.3（d）），但行走辅助的实验结果并不戴该装置消耗的代谢能比不穿戴要多。实验分析表明装置重量是造成主要因素，同时，外骨骼迫使人体在其辅助下形成一种新的动态平衡该外骨骼装置改变了人体自然行走时的步态....

图1.4被动式重力支撑下肢外骨骼[30]

技大学硕士学研究相对较少。如图1.4所于支撑体重的[29]，浙江大辅助支撑人体重量减轻膝走能量的回收与再利用。骼膝关节可在支撑相与摆进行减重支撑的同时存储果表明该外骨骼装置可降低外骨骼动量。

本文编号：3999274