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河南理工大学学报（自然科学版） 2024年第2期43卷 111-120页

作者：贺子骁胡志刚岳洋河南科技大学机电工程学院河南洛阳471003 河南省智能康复医疗机器人工程研究中心河南洛阳471003 河南科技大学医学技术与工程学院河南洛阳471003 西安交通大学机械工程学院陕西西安710049

目的为了帮助腰椎疾患、腰肌劳损、弯腰作业者,方法提出一种由McKibben型气动人工肌肉实现轻量化、柔性助力、穿戴舒适的腰部助力器,分析穿戴与未穿戴腰部助力器搬举重物时腰部主要肌群的肌肉力变化,验证腰部助力器的有效性。通过三维... 详细信息

目的为了帮助腰椎疾患、腰肌劳损、弯腰作业者,方法提出一种由McKibben型气动人工肌肉实现轻量化、柔性助力、穿戴舒适的腰部助力器,分析穿戴与未穿戴腰部助力器搬举重物时腰部主要肌群的肌肉力变化,验证腰部助力器的有效性。通过三维动作捕捉系统和三维测力系统采集受试者在搬举过程中的运动学和动力学数据,导入腰部助力器三维模型作为驱动数据,建立人体腰部骨骼肌肉生物力学模型,利用Hill型三元素肌肉模拟McKibben型气动人工肌肉,搭建人机交互模型并进行仿真分析。通过测量重物搬举过程中腰部主要肌群的肌电信号变化,对比肌电信号曲线与肌肉力曲线趋势,验证仿真分析结果的有效性。结果实验结果表明,穿戴腰部助力器运动时主要参与作用的为竖脊肌、多裂肌和腰方肌,其中竖脊肌助力效果最为显著,助力效果达到43%。结论通过进行人机交互模型的生物力学仿真,验证了搬举重物时腰部助力器的有效性,该助力器可为护理人员和物料搬运工作者提供助力。

关键词：腰部助力器气动人工肌肉 AnyBody 人机交互肌电信号

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腰部助力器的生物力学建模与仿真研究

腰部助力器的生物力学建模与仿真研究

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作者：贺子骁河南科技大学

学位级别：硕士

长期进行搬运的重体力劳动作业者频繁弯腰和扭转,极易造成腰部肌肉及骨骼受损,甚至导致脊柱失稳从而引发下腰痛。另一方面,由于我国老龄化和低出生率问题日益加重,且目前社会所能供给的护理人员数量严重不足,因此老年人的生活保障和医... 详细信息

长期进行搬运的重体力劳动作业者频繁弯腰和扭转,极易造成腰部肌肉及骨骼受损,甚至导致脊柱失稳从而引发下腰痛。另一方面,由于我国老龄化和低出生率问题日益加重,且目前社会所能供给的护理人员数量严重不足,因此老年人的生活保障和医疗护理问题成为一个关注的社会问题。其中,护理老年人翻身、入浴、移动、排泄等对护理人员腰部造成了巨大的体力负担。腰部助力设备可极大地降低工农业生产者、护理人员因连续进行高强度弯腰工作而患职业病的风险。本文针对腰部助力器进行生物力学建模与仿真研究。依据人体腰部损伤机理、人体腰椎结构及腰部肌群分布,进行人体弯腰时的腰背部受力分析,为研制腰部助力器奠定理论基础和可行性依据。根据腰部助力器需要实现的功能及其设计原理,完成人体自由度的分析。利用Mc Kibben型气动人工肌肉质量轻、输出力大、柔顺性好等特点,结合气动肌肉的工作原理,完成气动肌肉的低成本自制、性能测试及数据采集。基于腰部助力器的助力原理及相关设计准则,使用三维建模软件进行腰部助力器模型构建,并在搬举负载为30kg的情况下利用材料力学分析方法进行理论计算,最终确定该设备关键零件的稳定性,完成腰部助力器加工装配。采用三维运动捕捉系统和三维测力系统,进行人体搬举实验,得到受试者在搬举过程中的运动学和动力学数据,运用AnyBody生物力学仿真分析软件,建立人体腰部骨骼肌肉生物力学模型,导入腰部助力器三维模型作为驱动数据,并利用Hill型三元素肌肉模拟Mc Kibben型气动人工肌肉,搭建人机交互模型并进行仿真分析。对比穿戴与未穿戴腰部助力器搬举重物时腰椎L5-S1处的关节受力和腰部主要肌群的肌肉力变化,得出穿戴腰部助力器搬举重物起身时腰椎各关节在上下和前后方向的受力均减小且主要参与作用的肌群是竖脊肌、多裂肌及腰方肌,其中竖脊肌助力效果最为显著,助力效果达到43%。最后为验证仿真分析结果的有效性,搭建Motion Lab表面肌电系统平台,采集腰部竖脊肌、多裂肌和腰方肌的表面肌电信号。对比仿真分析肌肉力曲线与肌电信号曲线,可以看出在穿戴腰部助力器和未穿戴腰部助力器搬举重物的情况下,测得的肌电信号曲线与仿真分析肌肉力曲线趋势相同,且与人体感受相一致,证实了模型建立的合理性,可以为护理人员和物料搬运工作者提供助力。

关键词：腰部助力器气动人工肌肉生物力学模型人机交互肌电信号

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