踝关节人机耦合生物力学特性分析

目的设计一种2-PSU/RR并联踝关节康复机器人,并对人体肌肉进行生物力学特性分析,研究踝关节康复机器人的康复策略。方法采用数值离散搜索法获得机器人的实际工作空间,探究结构参数变化对机器人动平台高度的影响。通过人体生物力学仿真软件AnyBody得到肌肉力、肌肉活动度等人体生物力学响应,研究动平台高度变化对肌肉行为的影响。结果机器人能够满足踝关节跖屈/背屈和内翻/外翻运动需求。适当增大定长杆的初始倾角和减小长度,使得踝关节康复机器人具有较低的整体高度。动平台高度依次递减10 mm,人体参与运动的肌肉力和肌肉活动度都有一定幅度下降。结论本研究为踝关节康复提供一种新的设计方案,为踝康复机器人运动分析提供理论指导,并通过修改机构参数加快患者脚踝康复。

阵列式气囊床垫防压疮辅助翻身建模与舒适性分析

通过辅助长期卧床人员定时翻身,调整压力分布避免单一部位长时间受压是预防压疮的最有效措施。但被动辅助翻身与人体主动翻身相比,身体各部位受力存在明显差异,可能影响翻身舒适性,甚至对外伤及危重患者造成二次伤害。因此,探究被动翻身舒适性影响因素,确定最优翻身策略具有较大的实用价值。首先,本文研究被动翻身人体各关节承载特征,提出了一种楔形气囊构型,并将床垫楔形气囊对偶布局等效为弹簧-阻尼模型,并基于实验方法进行模型关键参数辨识。然后,通过调整施力位置、顺序,设计了不同辅助翻身策略,建立了基于刚性人体结构与柔性等效弹簧的人-垫力耦合仿真模型,获得了人体主要承压部位受力情况。最后,对15名受试者开展辅助翻身试验,通过分析仿真结果、实验数据及问卷评分,验证了辅助翻身与压力调整效果,阐明了被动翻身过程人体舒适性的力学影响因素,为后续床垫构型设计与辅助翻身策略优化提供了理论基础。

并联式髋关节外骨骼设计与基于人机耦合动力学方法的系统实现

同构串联式外骨骼普遍存在人体生物关节轴线与外骨骼机械关节的转动轴线发生偏移(即人机关节失配)的问题。为此,本文提出了一款并联式髋关节外骨骼,通过新型的结构设计消除了人机关节失配的问题和穿戴前繁琐的人机关节校对环节,同时具有人体髋关节的所有运动自由度,并实现髋关节屈曲/伸展和外展/内收方向的助力。另外,为解决并联外骨骼驱动力耦合问题,提出了基于人机耦合动力学模型的控制方法,实现了各支链驱动器的协同助力控制。最后,构建了可穿戴外骨骼样机系统,在穿戴者身上开展了1类外骨骼运动性能验证实验和4类运动助力实验,实验结果验证了所提出外骨骼与人体良好的运动相容性以及控制器助力的有效性。