机器人辅助步行训练中人机力学交互的肌骨-有限元联合仿真研究

目的在考虑个体解剖学差异和体内生理载荷下,进行肌骨-有限元联合仿真,系统分析人机交互过程中肌骨系统的力学响应行为,指导人机交互设计,提高训练安全。方法选择4组减重束带作为实验样本,测试其力学性能。选择1名左侧偏瘫患者(男,42岁,172 cm,78 kg,26.4 kg/m^(2))进行分析。在Anybody中构建个性化的人机耦合模型,计算斜方肌、背阔肌、竖脊肌、腹直肌、内收肌和股直肌的峰值肌力。将肌肉附着点、肌肉力、关节力、力矩作为加载条件,设置最大力的时间节点,在Abaqus中计算骨盆和股骨的峰值von Mise应力。结果内收肌的发力最明显(1.44~2.01 N/kg)。6组肌肉的患侧发力以及骨盆和股骨的应力均明显小于健侧,特别是股直肌肌力,仅为健侧的1/3。束带穿戴进一步地增加股直肌发力的不对称性,但对腰腹区域的肌力平衡有积极作用。6组肌肉的肌力在4组样本间均呈现了明显差异。穿戴束带1时的肩背部和大腿肌力最小,最高达到89.28%,穿戴束带4时的腰腹部肌力最小,小于其他3组束带13.61%~57.49%。不同束带对股骨健侧应力产生了明显影响,穿戴束带2时的股骨应力大于其他3组束带8.7%~16.04%。结论机器人辅助步行时,大腿是主要受力变形区域,腿带设计可考虑多层衬垫的平行结构,既可承受循环载荷,且具有吸能特性以减轻载荷。