人体膝关节外骨骼助力装置设计及实验研究

作     者：严亮 

作者单位：西安理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李琳;王旭鹏;周永春

授予年度：2024年

学科分类：1004[医学-公共卫生与预防医学(可授医学、理学学位)] 080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0804[工学-仪器科学与技术] 0802[工学-机械工程] 10[医学] 

主      题：动作捕捉系统 动力学分析 膝关节外骨骼 平面涡卷弹簧 

摘      要：膝关节是人体下肢的中间核心关节,其结构的复杂性使得它成为最容易发生病变的关节之一。随着我国社会老龄化趋势的加剧,膝关节相关疾病的发病率也在不断攀升,这些疾病不仅给人们的身体带来疼痛与不便,更在心理层面对人们的健康产生负面影响。外骨骼装置作为一种新型助力系统可以有效降低膝关节载荷,降低其发病率。传统的外骨骼装置主要借助电机、气动和液压驱动等方式作为动力源,其使用成本高且结构臃肿不方便普通人使用。 对此,本文基于人体生物力学特性和步态规律提出一种无源膝关节外骨骼助力装置,利用人体的被动步态驱动弹性元件进行能量的存储和释放来对膝关节进行助力,同时使用棘轮棘爪机构对弹性元件的能量释放时机进行控制,以此来增强该外骨骼助力装置的实际适用性。主要研究内容包括人体的运动学和动力学分析、外骨骼助力装置结构设计、动力学仿真和实验验证,具体如下: (1)基于解剖学原理的人体下肢运动力分析。本文采用D-H参数法构建人体下肢简化模型同时结合三维动作捕捉实验获取了膝关节运动学参数。在此基础上,使用拉格朗日动力学方程于MATLAB软件计算获取膝关节在一个完整步态周期过程中的力矩变化曲线。 (2)无源膝关节外骨骼助力装置结构设计。通过对比现有的储能元件,选取了接触型平面涡卷弹簧作为核心储能元件并根据人体力学特性对其进行了详细的参数设计。在此基础上,确定了膝关节外骨骼助力装置的整体结构设计,并对该系统的助力原理进行了详细分析。为保障该助力装置整体的安全性,采用Solid Works Simulation模块对平面涡卷弹簧及其相关部件进行了静力学仿真分析,确认了该装置的安全性和可行性,从而保障了整体机构的稳定运行。 (3)ADAMS仿真平台验证。为验证数学模型的准确性和外骨骼助力装置的可行性。本文通过ADAMS对人体简化模型进行仿真验证,并将获取的膝关节力矩曲线与基于拉格朗日方程理论计算获取的膝关节力矩曲线进行对比,验证了数学模型的有效性。在此基础上,进一步在对穿戴外骨骼助力装置的人体简化模型进行仿真模拟得出,在佩戴外骨骼助力装置后,在整个步态运动过程中膝关节的力矩曲线有明显下降的趋势,实现了对膝关节的助力效果,验证了外骨骼助力装置的有效性。 (4)基于实验平台的外骨骼助力效能评估。为验证本文设计的膝关节外骨骼助力装置的实际有效性,借助3D打印技术制作外骨骼样机并通过三维动作捕捉系统和表面肌电测试系统两大实验平台对人体穿戴外骨骼前后的膝关节力矩及屈曲肌肉群的表面肌电信号进行对比分析,最终验证了该装置在实际应用中的助力效能。