人工肌肉驱动的腰部助力器设计与仿真研究

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。