柔性骨肌系统生物力学模拟技术及其在外骨骼研发中的应用

目的针对传统多刚体动力学骨肌系统模型无法模拟骨肌软硬组织形变、不同组织间的接触和人与外骨骼间的耦合作用等问题,建立柔性骨肌系统生物力学模拟平台,并实现其在外骨骼机器人研发中的应用。方法通过将有限元模拟耦合到逆向动力学优化过程中,建立柔性骨肌系统模型;根据步态数据,建立个性化非线性缩放技术,对比原三维重建模型和体内测量的关节力,对缩放方法进行验证;模拟髋、膝、踝关节力和盂唇、软骨、韧带等软组织的应力分布、三维肌肉间的接触力学;根据团队研发的踝关节助力外骨骼机器人设备,建立人体和外骨骼机器人耦合模型,模型包含三维柔性肌肉、脂肪和皮肤等软组织,模拟外骨骼穿戴者的肌肉力及皮肤应力等信息,并根据模型计算的生物力学参数及需求,调控机器人结构及控制参数,兼顾外骨骼机器人的穿戴舒适性和助力效果。结果和结论模型计算的髋、膝关节力与体内实验测量数据基本一致,该新方法可模拟骨肌系统中所有软硬组织的三维形变、应力与应变、不同组织间的接触和人体与外骨骼间的耦合作用。通过生物力学和外骨骼机器人的学科交叉研究,为精准康复医疗提供新思路。