检索结果-南通市图书馆

踝关节助力外骨骼系统设计及其个性化助力策略研究

维普期刊数据库

同方期刊数据库评论

在线全文

学校读者我要写书评

暂无评论

踝关节助力外骨骼系统设计及其个性化助力策略研究

作者：梁秉宏华南理工大学

学位级别：硕士

对于近年来,踝关节助力外骨骼的研究迅速发展,取得了不小的进步。然而,现阶段的踝关节助力外骨骼机器人仍然面临着一些问题,比如:踝关节机器人的辅助效率(生物能消耗功率降低量与提供至踝关节的辅助功率之比)普遍不高、人机交互体验较... 详细信息

对于近年来,踝关节助力外骨骼的研究迅速发展,取得了不小的进步。然而,现阶段的踝关节助力外骨骼机器人仍然面临着一些问题,比如:踝关节机器人的辅助效率(生物能消耗功率降低量与提供至踝关节的辅助功率之比)普遍不高、人机交互体验较差和机器人的辅助效果因人而异等。现有研究中基本采用基于“人在环”控制方法的个性化助力策略来解决步态因人而异的问题,然而这种策略存在着系统复杂、个性化助力参数获取难度和代价较大的问题。针对以上问题,本文设计了一种面向正常人步行助力的踝关节助力外骨骼机器人,并为其设计了一种基于机器学习的个性化助力策略,该策略可以利用少量容易测量得到的数据通过人工智能技术生成个性化的助力参数,进而交由机器人实现个性化辅助,以达到提高机器人辅助效果和辅助效率的目的。本文的主要研究内容如下:通过对人体下肢运动机理和步态规律进行分析,探讨在对踝关节进行助力时应该遵循的条件。然后结合鲍登线传动特性的分析并以提高机器人辅助效率为目的,设计一款基于鲍登线传动的踝关节助力外骨骼,该系统具备质量轻、方便穿戴、人机交互友好和辅助力可控等特点,并对其性能进行测试。针对目前踝关节助力策略的局限性,本文设计了一种简单、低成本的个性化助力策略,引入人工智能技术生成个性化助力参数,机器人再根据这些参数为踝关节提供个性化辅助拉力,以提高机器人的辅助效果。然后对基于深度神经网络算法(DNN)对用于生成个性化参数的模型的进行了构建和性能验证,包括步态相关特征的选择、数据测量和数据库建立、算法设计和模型性能验证等。最后利用原型样机进行试验验证,证明了本文所设计的机器人能够降低行走代谢成本,且本文提出的个性化助力策略能够改善人机交互体验、大幅度的提高机器人的辅助效果和辅助效率。

关键词：踝关节外骨骼步行助力个性化助力策略机器学习深度神经网络

在线全文

同方学位论文库

学校读者我要写书评

暂无评论

用于辅助步行的踝关节柔性外骨骼设计与研究

用于辅助步行的踝关节柔性外骨骼设计与研究

作者：黎子田华南理工大学

学位级别：硕士

外骨骼作为一种拓展人类身体功能和性能的器械,能广泛应用于运动辅助,医疗康复和工业生产等领域,其中使用外骨骼辅助人体走跑等出行运动一直是相关研究的重点之一。本文以辅助健康人群的步行运动为目标,针对下肢踝关节,按柔性外骨骼的... 详细信息

外骨骼作为一种拓展人类身体功能和性能的器械,能广泛应用于运动辅助,医疗康复和工业生产等领域,其中使用外骨骼辅助人体走跑等出行运动一直是相关研究的重点之一。本文以辅助健康人群的步行运动为目标,针对下肢踝关节,按柔性外骨骼的技术路线分别设计了主动和被动外骨骼,研究其辅助力矩对踝关节步行运动的辅助效果。首先,根据与步行相关的人体下肢生物力学理论,建立了一个基于双Hill三要素模型的“人—外骨骼”踝关节生物力学模型,该模型可以计算在不同外骨骼辅助力矩作用下踝关节的代谢能量消耗,评估外骨骼的辅助效果。利用遗传算法从该模型中寻优解出最优的外骨骼辅助力矩样式,并与常用的比例力矩样式作仿真对比,前者表现出更好的降低代谢消耗的能力;进一步结合仿真数据,分析了最优力矩辅助效果更好的背后机理。其次,确定人机接合面、穿戴结构和弹性体的设计要点,搭建了一套踝关节柔性被动外骨骼样机,创新地引入大腿肌肉群作为弹性体实现踝关节的动能回收,使样机轻便似普通运动裤,改善了外骨骼的日常穿戴性。进一步设计实验测定了样机在不同预紧度下的辅助力性质以及几何性质,并结合模型评估了样机的辅助效果。设计了受试者的步行实验,通过心肺功能呼吸仪测得低预紧度的样机能减少受试者2.72%的净代谢率,能实现对步行运动的辅助。最后,基于被动外骨骼样机的穿戴结构设计并搭建了一套踝关节柔性主动外骨骼样机,其通过控制电机牵引鲍登线的方式将主动的辅助力传递到踝关节形成设定的辅助力矩。设计内容除了机电硬件以外,还包括外骨骼上层控制和下层控制。在上层控制中,基于自适应Hopf振荡器设计了步态识别算法,能实时精确地识别当前步态周期进度,并按辅助力矩样式制定目标辅助力交付下层控制;在下层控制中使用力反馈的PD控制器执行目标辅助力,其控制器的参数整定基于高斯过程算法,并结合上位机通讯实现了人机在环的自动整定过程。设计了步行实验,对比受试者在穿戴两种辅助力矩样式的样机时的净代谢消耗,测得应用比例力矩时比样机关机时的净代谢消耗下降了2.35%,而应用最优力矩时下降更多为3.24%。实验结果验证了踝关节生物力学模型的仿真对比结果,也验证了样机的辅助效果。

关键词：步行辅助踝关节外骨骼生物力学模型柔性外骨骼设计

在线全文

同方学位论文库

学校读者我要写书评

暂无评论

柔性踝关节外骨骼设计与运动控制研究

柔性踝关节外骨骼设计与运动控制研究

作者：刘钰哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

我国老龄化问题日益严重,日渐衰退的身体肌力给老年人的生活带来许多不便。若开发一款用于康复训练和助力行走的下肢外骨骼,将有效防止老年人肌肉萎缩,改善其行走能力。但现如今下肢助力外骨骼具有以下特点:刚性传动结构危险性高;且多... 详细信息

我国老龄化问题日益严重,日渐衰退的身体肌力给老年人的生活带来许多不便。若开发一款用于康复训练和助力行走的下肢外骨骼,将有效防止老年人肌肉萎缩,改善其行走能力。但现如今下肢助力外骨骼具有以下特点:刚性传动结构危险性高;且多采用一体式结构(髋、膝、踝三部分),质量体积大、穿戴舒适性差。在人体行走过程中,踝关节做功最多,因此设计并研究单关节轻量化柔性外骨骼有重大意义。本文针对轻量化柔性踝关节外骨骼的机械本体、串联弹性传动系统、柔顺控制策略及算法进行了设计与研究,并通过仿真与样机试验验证了本研究设计的正确性。在外骨骼机械本体方面,本研究基于人体足部关节的生物学机理,结合仿生学思想,设计了一款由一个万向节铰链和一个滑动关节构成的三自由度末端执行器:第一个自由度,通过电机和拉索驱动,可控制末端执行器沿踝关节背屈跖屈方向运动;另外两个自由度,可用于消除因使用者身高差异,或运动中位置偏移带来的关节不对齐误差。从而从物理层面提高位置控制精度,保证踝关节外骨骼的有效性。在串联弹性传动系统方面,本研究设计了一款可用于位置及力矩检测的串联弹性传动结构。综合考虑电机功率、助力效率、控制精度及外骨骼系统柔性要求,针对该结构的核心元件环形弹性体,进行了详细的结构设计、力学分析、仿真优化。该结构成功地将感知系统与机械传动系统相融合,有效起到缓冲减震,提升系统柔性的作用。经过实验标定,该装置位置检测精度可达±0.05°,力矩检测分辨率为0.868 Nm。在控制策略及算法层面,本研究设计了一套可用于康复训练和助力行走的柔顺控制算法。使用高阶傅里叶级数拟合,建立了踝关节标准步态位置模型和力矩模型;然后,以该模型为参考值,基于导纳控制策略,并结合本研究机械系统的动力学特性设计了一套踝关节外骨骼柔顺控制算法;最后,通过Simulink仿真验证了算法的可靠性。在实验验证方面,本研究搭建了柔性踝关节外骨骼实验平台,包括机械硬件系统和软件系统,并通过穿戴测试,验证了踝关节外骨骼机械结构设计的正确性。在控制系统方面,通过康复训练场景测试,验证了该外骨骼系统位置控制的精确性,控制误差在±0.5°之内;通过助力行走场景测试,验证了该系统助力的有效性和柔顺性,可以达到30%的助力效果,且可以根据人的运动意图调整位置轨迹。符合本研究设计预期。

关键词：踝关节外骨骼柔性外骨骼串联弹性驱动器导纳控制运动控制

在线全文

同方学位论文库

学校读者我要写书评

暂无评论

踝关节外骨骼的人机协作控制策略及优化

踝关节外骨骼的人机协作控制策略及优化

作者：徐声武汉理工大学

学位级别：硕士

外骨骼在改善人体运动性能方面具有巨大的潜能,包括:帮助老年人上下楼梯和辅助下肢伤残人员进行康复训练等。本文从人体踝关节生物力学和神经生理学角度出发,研究助力人体行走任务中的踝关节外骨骼人机协作。完成的主要工作包括踝关节... 详细信息

外骨骼在改善人体运动性能方面具有巨大的潜能,包括:帮助老年人上下楼梯和辅助下肢伤残人员进行康复训练等。本文从人体踝关节生物力学和神经生理学角度出发,研究助力人体行走任务中的踝关节外骨骼人机协作。完成的主要工作包括踝关节外骨骼的机械结构设计、控制系统设计以及控制策略优化。（1）设计与人体踝关节高度耦合的外骨骼结构,并进行机械选型。创新之处在于,通过一根Boden绳分离踝关节外骨骼穿戴部分和电机驱动部分,极大地降低人体穿戴部分的重量。（2）提出一种基于双层控制器的踝关节外骨骼力矩控制方法。其中,上层控制器通过步态周期时间确定踝关节外骨骼的期望力矩;下层控制器通过迭代学习算法跟踪上层控制器输入的期望力矩曲线。（3）提出一种助力人体行走任务下“人在回路中”的踝关节外骨骼控制策略优化。该优化方法以穿戴者每个步态周期内左右小腿比目鱼肌肌电信号均方根的平均值作为优化目标,利用粒子群优化算法对外骨骼控制器的控制参数进行优化,以提高外骨骼辅助人体行走的效果。为了克服基本粒子群算法不能很好平衡其全局和局部搜索能力的缺陷,在提出的踝关节外骨骼控制参数优化方法中,提出一种自适应参数调整法则,对基本粒子群算法中的惯性权重、自我认知加速和社会认知加速度系数进行调整,以进一步降低行走过程中人体自身所付出的代价。（4）通过实验验证外骨骼的机械结构、双层控制系统以及基于“人在回路中”的协作控制策略优化的有效性。本文从仿生的角度进行踝关节外骨骼的机械设计,提高关节耦合度,并且从“人在回路中的”人机协作的角度进行控制策略优化,提高外骨骼的人机交互,这不仅对指导简单任务下单关节外骨骼的控制研究起到了巨大的推进作用,而且对未来复杂任务下多关节外骨骼的研究奠定了基础。

关键词：踝关节外骨骼迭代学习人在回路中粒子群算法优化

基于肌肉肌腱模型和能源消耗模型的踝关节外骨骼设计与研究

在线全文

同方学位论文库

学校读者我要写书评

暂无评论

基于肌肉肌腱模型和能源消耗模型的踝关节外骨骼设计与研究

作者：钟一弘华南理工大学

学位级别：硕士

近些年来,关于外骨骼助力机器人的研究与应用越来越广泛和深入。除了应用于医疗领域的康复型外骨骼外,越来越多的外骨骼研究团队研究应用于正常个体的外骨骼,以减小用户完成某项活动所需要的能量。本文以踝关节外骨骼为研究对象,主要研... 详细信息

近些年来,关于外骨骼助力机器人的研究与应用越来越广泛和深入。除了应用于医疗领域的康复型外骨骼外,越来越多的外骨骼研究团队研究应用于正常个体的外骨骼,以减小用户完成某项活动所需要的能量。本文以踝关节外骨骼为研究对象,主要研究包括踝关节生物力学仿真框架搭建与应用,踝关节有源外骨骼能源消耗建模及踝关节外骨骼的设计。首先,搭建一个基于双Hill肌肉模型的踝关节“外骨骼—人体”生物力学仿真框架,通过仿真人体踝关节肌肉肌腱的形态学和能量学,研究外骨骼如何减少人体代谢能。对一款无源线性外骨骼进行仿真,从而对该生物力学仿真框架进行评估,并将评估结果与一个基于单Hill肌肉模型的踝关节“外骨骼—人体”生物力学仿真框架的仿真结果进行对比,仿真结果有了一定的改进,无源线性外骨骼理论最优刚度与实验最优刚度偏差为3.3%,代谢能下降比例与实验结果相同,改善的原因是双Hill肌肉模型能更好地体现肌肉的强弱及辅助力条件下肌肉效率的变化。其次,通过遗传算法和生物力学仿真框架,探究有源外骨骼在降低人体行走代谢能上的潜力,发现与外骨骼施加比例肌肉力矩相比,通过遗传算法得到的最优外骨骼力矩具备在“做负功时小于比例肌肉力矩”和“力矩峰值相位后置”的特点;这是因为在外骨骼进行辅助时,肌肉长度和速度所导致的肌肉力生成的难易程度以及完成相同肌肉激活程度时肌肉所需代谢能发生了变化。再次,探究弹性元素和外骨骼电机配置位置对有源外骨骼能耗的影响,仿真发现外骨骼的节能原理与人体肌肉的节能原理可以相互印证,是否使用弹性元素取决于外骨骼力矩与电机输出端位移的相似度。通过对外骨骼电机配置位置的仿真,发现引入附加位移的外骨骼在能量消耗与节能比例上均差于无附加位移的外骨骼。最后,根据前面章节的仿真结论,搭建了一款踝关节外骨骼,用以研究具备寻优力矩特征的外骨骼辅助力矩在减少代谢能上的潜力,所搭建的外骨骼在步态识别上可以避免外骨骼辅助力的干扰,其辅助力实现较好,通过心肺功能呼吸仪测得总代谢收益为4.16%,初步验证了通过遗传算法所得的特征力矩具备一定的降低代谢成本的潜力。

关键词：踝关节外骨骼 Hill肌肉模型生物力学框架能源消耗模型

在线全文

同方学位论文库

学校读者我要写书评

暂无评论

负重步行下的踝关节外骨骼助力策略研究

负重步行下的踝关节外骨骼助力策略研究

作者：郑聪兴华中科技大学

学位级别：硕士

负重步行是人类日常活动中最为常见的运动,利用外骨骼对负重步行中的下肢进行助力,能够节省人体运动的代谢能耗。本文进行了下肢生物力学建模与计算,来量化髋、膝和踝关节的生物力学特征,研究踝关节外骨骼通用型辅助策略来降低步行代谢... 详细信息

负重步行是人类日常活动中最为常见的运动,利用外骨骼对负重步行中的下肢进行助力,能够节省人体运动的代谢能耗。本文进行了下肢生物力学建模与计算,来量化髋、膝和踝关节的生物力学特征,研究踝关节外骨骼通用型辅助策略来降低步行代谢,分析得到了个体间的助力差异性,据此探索个性化的踝关节外骨骼助力策略,进一步优化了外骨骼助力效果,最后在实验平台上验证了通用型和个性化的踝关节外骨骼助力策略。论文的研究为负重步行下的踝关节外骨骼助力策略提供了新思路与工程科学方法,主要研究和成果包括:(1)人体下肢步行的生物力学研究。分析关键肌肉的功能与构造,基于肌肉力与代谢能数学模型,计算负重对关节力矩与关键肌肉功率的影响,量化髋、膝和踝关节的动力学特征,研究得到:相比髋膝关节,负重步行下踝关节具有更大的辅助潜力。(2)踝关节外骨骼通用型助力策略。搭建人-外骨骼耦合动力学仿真平台,设计了不同助力时刻组成的助力曲线,研究由四条助力曲线构成的通用型助力策略对于负重步行代谢的影响,研究得到:个体间存在助力参数的差异,较晚的助力峰值时刻能够实现更好的助力效果,使净代谢能下降6.85±2.35%。(3)踝关节外骨骼个性化助力策略研究。在人-外骨骼耦合动力学仿真平台中,以负重步行代谢能最小为目标函数,利用贝叶斯优化算法迭代优化助力曲线的起始时刻和峰值时刻,寻找踝关节外骨骼的最优助力参数,研究得到:个性化助力策略优化得到的外骨骼参数,能够进一步降低7.56±2.09%的净代谢能耗。(4)踝关节外骨骼助力策略的实验验证。在踝关节外骨骼实验平台上进行7个受试者的负重步行助力实验,比较穿戴无助力与助力情况的代谢能变化,验证通用型辅助策略,发现:效果最好的助力曲线使净代谢下降9.6±9.8%,外骨骼助力参数存在显著的个体差异性,助力效果存在进一步优化空间;验证个性化踝关节外骨骼助力策略,发现:个性化策略优化后的助力参数进一步降低净代谢至19.7±8.5%,贝叶斯优化算法收敛时间为14.4±2.6分钟。

关键词：踝关节外骨骼外骨骼助力策略贝叶斯优化负重步行代谢能

直立抗扰任务下踝关节外骨骼阻抗控制策略研究

在线全文

同方学位论文库

学校读者我要写书评

暂无评论

直立抗扰任务下踝关节外骨骼阻抗控制策略研究

作者：严鹤武汉理工大学

学位级别：硕士

外骨骼能够有效提高人体运动能力,比如:辅助患者运动康复、帮助老年人行走、帮助士兵负重行军等。运动过程中,外界干扰不可避免,外骨骼和人体如何共同应对外界扰动,保持身体平衡,是非常重要的研究课题。人体神经-肌肉-骨骼系统非常复杂... 详细信息

外骨骼能够有效提高人体运动能力,比如:辅助患者运动康复、帮助老年人行走、帮助士兵负重行军等。运动过程中,外界干扰不可避免,外骨骼和人体如何共同应对外界扰动,保持身体平衡,是非常重要的研究课题。人体神经-肌肉-骨骼系统非常复杂,很难建立其精确的动力学模型。外界干扰具有偶发性质,与行走、奔跑类周期性动作不同,很难定义一个通用的模版。因此,在人机协作过程中,外骨骼控制缺乏对协作对象(人体)和协作任务(抗扰)的准确认知,很难制定出有效的控制策略。为此,本文首先简化外骨骼和抗扰任务,瞄准直立抗扰任务下踝关节外骨骼的控制问题,通过“人在回路”优化框架,获得外骨骼最优控制参数。具体研究工作如下:(1)建立人体踝关节力矩模型并设计了踝关节外骨骼机械结构。通过对直立抗扰过程中人体踝关节受力分析,基于倒立摆模型,建立踝关节力矩模型。在“沙袋撞击”实验中收集人体踝关节角度与力矩测量数据,以此为依据,完成踝关节外骨骼机械结构设计,通过Bowden绳连接外骨骼驱动装置与执行机构,降低外骨骼对穿戴者的负担。(2)提出了一种踝关节外骨骼分段阻抗控制策略。首先,通过直立抗扰实验,分析人体踝关节运动特性;然后,仿人体踝关节直立抗扰策略,制定分段阻抗控制策略,以期获得更好的“人机交互”控制效果。在分段控制的基础上,搭建外骨骼阻抗控制系统,并测试分析了控制器内环的力矩跟随效果。(3)设计了一种基于贝叶斯优化的“人在回路”外骨骼控制参数优化框架。在所设计的框架中,基于穿戴者比目鱼肌和胫骨前肌的肌肉激活程度,建立优化目标函数,利用贝叶斯优化算法对外骨骼控制系统的阻抗参数进行寻优。然后搭建直立抗扰实验平台,对所提方法进行对比实验验证。实验结果表明:基于分段阻抗控制策略的踝关节外骨骼能够有效协助人体实现直立抗扰,并降低人体下肢肌肉激活程度和踝关节力矩;基于贝叶斯优化的“人在回路”优化框架,能够为穿戴者提供个性化的最优阻抗控制参数,并进一步降低穿戴者下肢肌肉激活程度和踝关节力矩,在直立抗扰任务中为穿戴者提供更加积极有效的辅助作用。本文开展的简单任务下单关节外骨骼人机协作控制研究,将为今后复杂任务下多关节外骨骼的人机协作研究奠定基础。

关键词：踝关节外骨骼直立抗扰阻抗控制人在回路贝叶斯优化

面向直立抗扰的踝关节外骨骼人机协作控制策略优化

在线全文

同方学位论文库

学校读者我要写书评

暂无评论

面向直立抗扰的踝关节外骨骼人机协作控制策略优化

作者：曹雨阳武汉理工大学

学位级别：硕士

外骨骼可以为穿戴者提供身体支撑、保护、助力等辅助作用。穿戴者肌肉活动与外骨骼助力间的适应问题,是人机协作过程中的技术难题。本文以踝关节外骨骼为例,研究直立抗扰任务下的人机协作机制,探索简单任务下外骨骼人机协作控制的一般... 详细信息

外骨骼可以为穿戴者提供身体支撑、保护、助力等辅助作用。穿戴者肌肉活动与外骨骼助力间的适应问题,是人机协作过程中的技术难题。本文以踝关节外骨骼为例,研究直立抗扰任务下的人机协作机制,探索简单任务下外骨骼人机协作控制的一般规律。研究工作包括以下3个方面:（1）设计面向直立抗扰的踝关节外骨骼。基于直立抗扰下人体平衡机理,建立踝关节力矩模型;通过“沙袋撞击”实验研究直立抗扰下人体踝关节运动特性,提供机械设计参数;外骨骼作动结构上,采用串联弹性作动器和鲍登绳驱动,避免外骨骼体积大、惯性大、抗冲击性差等问题。（2）设计踝关节外骨骼力矩跟随控制的优化策略。采用三次样条曲线描述直立抗扰下外骨骼期望力矩;设计基于PID的外骨骼力矩跟随控制器;将穿戴者双腿肌肉激活量作为评估人机协作适应度的指标,建立人在环优化的目标函数;通过自适应粒子群改进算法,优化外骨骼期望力矩;获得最佳的力矩控制参数,实现直立抗扰下外骨骼人机协作最优控制。（3）设计人机协作直立抗扰实验。采用实时控制器搭建外骨骼硬件控制系统;基于Matlab提供的Simulink工具包编写外骨骼控制程序;设计3组对比实验,评估基于优化的人机协作控制对穿戴者运动性能的改善的作用。实验结果表明:基于优化的踝关节外骨骼人机协作控制策略,可以有效的降低穿戴者下肢肌肉激活程度,减少穿戴者踝关节动作力矩,完成直立抗扰任务,对穿戴者有明显、积极的辅助作用。这为外骨骼人机协作控制的研究,提供了一种通用的解决方法。

关键词：人机协作控制直立抗扰人在环优化踝关节外骨骼

在线全文

同方学位论文库

学校读者我要写书评

暂无评论

无动力踝关节外骨骼装置的设计与性能分析

无动力踝关节外骨骼装置的设计与性能分析

作者：郑凯东北石油大学

学位级别：硕士

目前全球老龄化形势日益严重,因人体衰老、伤病带来的下肢运动能力受损不可避免。辅助下肢肌力衰退人群的传统设备种类繁多,虽然可以一定程度上解决肌力衰退人群移动的问题,但并不能为使用者提供良好的辅助效果,很难保证使用者的生活质... 详细信息

目前全球老龄化形势日益严重,因人体衰老、伤病带来的下肢运动能力受损不可避免。辅助下肢肌力衰退人群的传统设备种类繁多,虽然可以一定程度上解决肌力衰退人群移动的问题,但并不能为使用者提供良好的辅助效果,很难保证使用者的生活质量。为改善上述的问题,近些年出现一系列以减小穿戴者代谢能耗、康复助力为目的的无动力下肢外骨骼机器人,根据其辅助关节的个数划分,可分为多关节无动力下肢外骨骼机器人与单关节无动力下肢外骨骼机器人。由于受当前材料与人体理论认识的限制,单关节外骨骼机器人在辅助效果、成本、自适应上优于多关节下肢外骨骼机器人。而在辅助关节的选择上,本文基于下肢行走运动时三个关节运动做功特点的研究,选择踝关节作为无动力外骨骼机器人的辅助关节,用于辅助肌力衰退人群助力行走。本文的主要研究内容如下:第一,对国内外相关研究成果、人体下肢关节解剖、步态行为进行研究,结合下肢各关节正常行走步态特点进行分析,得出无动力踝关节外骨骼装置的助力原理。第二,基于对人体运动理论以及国内外装置设计的研究,利用三维制图软件设计出装置模型,依据图纸加工出一款无动力踝关节外骨骼装置实物,并详细介绍了其结构设计、工作原理以及工作过程。第三,借助Open Sim人体运动建模仿真软件,利用Thelen方法对模型设置相应的触发条件和劲度系数,模拟无动力踝关节外骨骼对穿戴者的助力效果。第四,对无动力踝关节外骨骼装置样机进行两组性能测试验证。运用VICON运动捕捉系统、AMTI三维测力跑台以及Delsys肌电设备对穿戴者的运动时空参数与肌电信号进行采集分析,利用MASTERSCREEN CPX METABOLIC CART系统对受试者的心率和代谢进行监测分析。仿真实验与样机穿戴实验结果表明,本文设计的无动力踝关节外骨骼装置样机有一定助力效果,能减小穿戴者的代谢能耗,满足装置设计目标。仿真结果证实,随储能弹簧劲度系数的增大,相关肌肉力量和肌肉做功呈下降趋势,劲度系数每增加4000N/m,比目鱼肌的最大肌力平均减少223N,腓肠肌的最大肌力平均减少33.2N。比目鱼肌做功范围由154.2W降至86W,腓肠肌做功范围由235W降至218.6W。样机穿戴实验结果表明,随着储能元件劲度系数的增加,穿戴者的腓肠肌、比目鱼肌肌电信号波峰最大可减小16%,21.2%,穿戴者的代谢消耗最大可减少3%,心率可由105BPM降至99BPM。

关键词：踝关节外骨骼行走辅助结构设计代谢消耗肌电信号