踝关节外骨骼机器人与柔性骨肌模型耦合生物力学研究

目的目前的骨肌模型很少被用于外骨骼机器人的研究,因为目前的骨肌模型大多是基于多刚体动力学,无法考虑外骨骼与软组织之间的相互作用。本研究的目的是开发一种考虑软组织的三维几何和变形的骨肌模型,并在骨肌模型中耦合一个踝关节外骨骼机器人,以评估机器人的辅助水平对肌肉力和软组织应力的影响。方法本研究基于CT图像数据建立了包含小腿所有软组织(肌肉、皮肤、脂肪等)的下肢骨肌有限元模型。三维肌肉模型只反映肌肉的被动特性,肌肉的主动特性以一维力元素表示。测量受试者穿戴机器人的步态,并将其作为外骨骼-骨肌系统耦合模型的边界条件。对耦合模型进行逆向动力学模拟,以模拟肌肉力、软组织应力以及机器人的辅助力。并评估不同外骨骼辅助水平下的骨肌生物力学特性。结果穿戴外骨骼并不会改变肌肉的发力模式,外骨骼机器人能有效降低比目鱼肌和腓肠肌的肌肉力。机器人的辅助水平越高,软组织的应力越大,这也意味着更低的穿戴舒适度。结论本文开发了一个踝关节外骨骼机器人与柔性骨肌模型耦合模型,将软组织变形纳入到外骨骼与骨肌系统中的相互作用中,为外骨骼机器人的结构设计和控制提供了关键参数。