外加膝关节辅助力矩对下肢关键肌群肌力的影响分析

目的以减小步行时的膝关节合力为目标,基于受试者在正常步行状态下的膝关节合力和膝关节力矩,计算解析减少不同程度的膝关节合力所需的辅助力矩,并研究多种步速下辅助力矩对下肢关键肌群肌力的影响规律。方法通过三维光学动作捕捉系统及测力台采集人体在慢速步速、正常步速以及快速步速下的运动学和动力学数据。基于OpenSim生物力学计算平台计算下肢关键肌群肌力、膝关节合力及膝关节力矩,然后将膝关节合力按照减少5%、10%、15%、20%的目标进行等比缩减,在MATLAB中采用全局优化算法计算得到辅助力矩,最后分析辅助力矩对下肢关键肌群的影响规律。结果辅助力矩随膝关节合力减少的程度而增加,并且不同步速下辅助力矩的平均相关系数为0.87,最高相关系数为0.96。施加辅助力矩后,腘绳肌、股四头肌、腓肠肌的肌力分别在支撑相初期、支撑相中期、支撑相末期和预摆期减少的平均比例最大,并且在慢速步速下上述三个肌群肌力减少的平均比例最大,其值分别为31%、26%和23%。结论膝关节辅助力矩主要通过减弱下肢关键肌群的肌力来减少膝关节合力。本研究的结果提示不同步速下对膝关节施加特定幅度和变化趋势的辅助力矩,能够达到防止膝关节过载损伤等目的,可为主动机械外骨骼等辅助设备的驱动策略提供数据参考。

基于多目标遗传算法的外骨骼人-机并联系统性能优化

在提出一种具有仿生交变穿戴接触刚度的膝关节外骨骼人-机物理交互(穿戴)系统研究原型的基础上,开展穿戴系统参数优化分析,用于实现其穿戴舒适性与承载有效性的提高。首先,基于Ansys软件平台,搭建系统虚拟样机模型;其次,基于仿真分析,构造一种计及外骨骼缓冲层结构、材料参数为设计参变量的可穿戴性新型综合评价指标——穿戴舒适度,并获取后续优化初始数据种群;最后,针对穿戴舒适度指标开展多目标遗传优化分析,以寻找外骨骼穿戴系统的设计参数最优值。仿真分析表明,大腿肌群穿戴处最大等效应力(Von-Mises)有效值相对优化前降低44.45%,最大有效变形降低2.86%,有效受力结点数占比提高1.75%。因此,仿真结果可佐证上述人-机并联物理交互系统设计与其性能优化方法的有效性与合理性。

液压驱动下肢助力外骨骼机器人膝关节结构设计及试验

液压驱动下肢助力外骨骼是一种典型的人机交互类机器人,在跟随人体行进的同时,可提高人的负重能力。为实现最优化的结构设计以降低对系统压强、液压缸尺寸的要求,通过仿生学分析人类正常步行时的步态数据,依据准拟人化设计准则,采用CAD设计软件、数值计算等方法,给出了液压驱动膝关节的设计过程,并通过MATLAB等仿真软件进行了验证。基于确定的模型参数,进行了结构设计及平台搭建,并进行了穿戴试验。仿真及试验结果表明,该方法设计的外骨骼膝关节可以满足步行及负重需求。在负重由10增加为20 kg时,即负重增加一倍时,膝关节的轨迹平均跟踪误差减小了0.05%,跟踪误差最大值增加了20.7%,但是相对于整个膝关节的活动范围,该误差仅占总活动范围的1.2%。该研究为优化液压驱动下肢助力外骨骼提供了参考方法,并可为直线执行器驱动外骨骼其他关节的优化设计提供参考。

柔性膝关节保护外骨骼及其行走助力方法设计

设计柔性可穿戴式膝关节保护外骨骼,用于实现人体运动过程中膝关节负载减重及行走助力功能.根据人体生物力学特点,使用固体各向同性材料惩罚(SIMP)模型与有限元分析设计柔性外骨骼膝关节,该柔性关节在行走运动支撑期具有刚性,能够减轻膝关节体重负载,在摆动期柔性较强,能适应人体生理关节运动特性,不对膝关节造成额外载荷.在柔性可穿戴式膝关节外骨骼结构的基础上,配套设计行走助力模块,研究相应的助力控制方法可以实现步行助力.性能测试实验表明,单侧膝关节保护外骨骼最大能减轻110 N的膝关节负载,外骨骼结构自身质量为639 g,减重比大;带行走助力模块的外骨骼系统质量为4.8 kg,能实现步行运动的助力功能.

下肢康复用并联式外骨骼膝关节的设计

提出了下肢瘫痪病人康复用并联式外骨骼膝关节的设计方法。通过分析传统单自由度转动副和多连杆机构的不足,采用平面二自由度并联机构对膝关节外骨骼化,以提高外骨骼膝关节的仿生性和通用性,并提出了该机构辅助人体膝关节进行康复训练的实施方案。在运动学分析的基础上,以满足人体正常行走时膝关节的运动范围要求和提高机构运动学性能为目标进行了结构参数优化设计。初步分析表明,该机构用于下肢瘫痪病人康复训练时具有仿生性高和通用性强的特点。

下肢外骨骼的膝关节轴线自适应设计与尺度综合

针对目前外骨骼膝关节与人体膝关节旋转轴线不重合,人机之间存在“寄生力”的问题,提出一种混联外骨骼膝关节和一种基于李代数的运动学规划算法。利用运动学模型建立驱动器和人体运动之间的映射,对人体运动进行感知,构建关节位形空间。介绍了一种基于螺旋理论的参数选择方法,结合粒子群优化算法,以工作空间面积和全局传递指标为优化目标,优化了膝关节外骨骼的尺度。仿真和实验结果表明:膝关节外骨骼的工作空间覆盖了膝关节运动范围,支链传递效率均大于0.7;外骨骼可以精确根据人体运动调整自身运动轴线,消除人机之间的“寄生力”。

外骨骼柔顺膝关节作动机构研究

外骨骼关节的柔顺性在适应穿戴者不同运动状态和人机相容性方面至关重要,然而,常见的刚性机构和被动柔顺机构不能够实时反馈人机交互力从而达到主动柔顺的目的。设计了一种主动柔顺膝关节作动机构,利用拮抗驱动原理结合曲柄滑块的力位转换能力,使其不仅能够达到利用传统串联弹性驱动增加机构柔顺的目的,还可以通过该柔顺机构实时计算人机交互力。实验证明了该柔顺机构的可行性和有效性。

下肢外骨骼变轴线膝关节构型设计与杆长优化

针对人体膝关节轴线具有可变性,定轴线膝关节机构必然使外骨骼与人腿协调性较差的问题,在一种无驱动含耦合双支闭链的下肢外骨骼的基础上,采用一种变轴线膝关节机构。首先,根据人体膝关节“J”型瞬心轨迹特点,确定合适的变轴线膝关节机构,并且建立含变轴线膝关节的外骨骼整体模型;其次,通过遗传算法计算出符合人体膝关节瞬心轨迹的变轴线膝关节的参数;最后,通过MATLAB计算验证变轴线膝关节的瞬心轨迹符合人体膝关节瞬心轨迹。结果表明:变轴线膝关节瞬心轨迹更加贴合人体膝关节的瞬心轨迹,含变轴线膝关节机构的外骨骼步态更加符合人体步态。

膝关节外骨骼综合测试系统设计与实现

膝关节外骨骼系统是一种人体膝关节助力设备,其主要作用为可以使穿戴者在行走、奔跑、爬坡等运动过程中获得膝关节部位的助力扭矩,提升穿戴者的行动及负载能力;根据膝关节外骨骼系统的产品特点,对膝关节外骨骼的测试需求进行了研究,得到常规数据、助力效率、舒适度、寿命测试、关节驱动特性等5种测试需求;后基于测试需求,对一种膝关节外骨骼综合测试系统进行了架构设计,并对各种测试科目包括常规数据测试、助力效率、穿戴舒适度、使用寿命、关节驱动特性等进行测试方法研究。经实际应用试验表明,该测试系统可满足膝关节外骨骼设备的测试需求。

穿戴式下肢外骨骼助行机器人系统研究

目的提出一种新型轻量化穿戴式下肢外骨骼助行机器人系统,探究其辅助步态紊乱者和T4脊髓节段以下损伤的截瘫患者(排除双下肢肌痉挛和明显疼痛者)实现行走及姿态变换康复训练的可行性。方法设计髋关节双电机主动驱动,膝关节被动四连杆模拟人体运动瞬心变化的主被动混合式可穿戴下肢外骨骼助行机器人结构,基于模块化设计思想,提出以STM32F767IGT6及外围电路为主控制器,包含姿态采集、电源和拐杖模块的控制系统。以正常人穿戴该外骨骼机器人进行平地、斜坡及姿态变换实验,分析运动过程中髋、膝、踝关节角度,并对比正常人穿戴和未穿戴该机器人股外侧肌和股内侧肌的肌电信号。结果穿戴者可实现仅基于该外骨骼机器人系统辅助的坐下-站立姿态变换以及平地/斜坡行走,且髋、膝、踝关节角度与正常人行走变化趋势基本一致,穿戴该机器人相比未穿戴行走时,股外侧肌和股内侧肌肌电信号均降低。结论该主被动混合式可穿戴下肢外骨骼助行机器人在仅髋关节两个电机驱动下,依然可实现行走及姿态变换的康复训练,验证了髋关节双电机主动驱动、膝关节被动四连杆结构的下肢外骨骼助行机器人系统帮助截瘫患者和步态紊乱者行走康复的可行性。

基于TRIZ的柔性下肢外骨骼设计与研究

为了改善穿戴者使用下肢外骨骼的舒适度,提升产品竞争力,在TRIZ的理论基础上对下肢外骨骼进行了创新设计,根据TRIZ创新问题解决流程,确立下肢外骨骼设计原则,分别利用物-场分析与矛盾分析等创新工具解决下肢外骨骼刚性冲击与驱动器动力非线性输出的问题,得到一款包含助力与缓冲2种工作模式的下肢外骨骼,利用虚拟样机技术对下肢外骨骼进行运动仿真,通过对比仿真结果与人体运动标准数据,验证了设计方案的可行性。

下肢膝关节外骨骼仿生机构运动学研究

针对人体下肢行走时可分为摆动相与承载相的运动承载特征,提出具有运动包容性与承载有效性的下肢膝关节外骨骼仿生欠驱动五杆机构研究原型,运用闭环矢量法对其构建系统运动学模型,在此基础上得到系统速度雅可比矩阵,进而提出一种评价该仿生机构的全局性工作空间灵巧度的新型综合评价指标,并以此为优化目标。在MATLAB 9.0平台上,开展基于运动学模型的系统结构参数数值优化仿真,并结合UG NX 12.0虚拟样机仿真平台,进行仿真结果数据比对,通过误差分析验证了运动学建模的正确性,进而进行数据深入分析,结果表明:优化后的仿生机构相对人体膝关节运动空间而言,具有良好的仿生灵巧包容性,亦表明基于新型综合评价指标下的结构参数优化方法的有效性。

下肢外骨骼辅助胫骨平台骨折术后康复的临床研究

目的:探究下肢外骨骼辅助胫骨平台骨折(TPF)术后康复的临床价值。方法:选取70例TPF术后患者,按照随机数字表法分为常规康复组和下肢康复外骨骼组,每组各35例,比较两组膝关节功能优良率、疼痛程度、不良事件发生率、骨折愈合及骨痂形成时间。结果:干预1个月后,下肢康复外骨骼组的膝关节功能总优良率高于常规康复组(P<0.05);干预1周、2周、4周后下肢康复外骨骼组的VAS评分均低于常规康复组,且骨折愈合及骨痂形成时间均短于常规康复组(P<0.05);两组均未见出血、切口感染等不良事件。结论:下肢外骨骼辅助TPF术后康复,能够提高膝关节功能优良率,减轻功能训练时疼痛程度,促进骨痂形成及骨折愈合。

下肢外骨骼机器人对关节镜下半月板修补术后患者功能重建的治疗效果

目的·探索下肢外骨骼康复机器人对关节镜下半月板修补术后康复期患者的下肢功能恢复的治疗效果,并与关节功能康复训练器(continuous passive motion,CPM)康复结果进行比较。方法·以同济大学附属同济医院骨科2020年6月至2021年6月收治的膝关节半月板损伤后行关节镜下半月板修补术的90例患者为研究对象,试验未进行双盲法分组及分配隐藏;随机将患者分为常规康复疗法联合CPM训练组(常规组,45例)和常规康复疗法联合下肢外骨骼机器人训练组(外骨骼组,45例),康复训练前收集患者的基线资料。对2组患者在康复训练前(术后4 d)和康复训练后(康复训练2个月后)的膝关节Lysholm评分分级、国际膝关节评分委员会(International Knee Documentation Committee,IKDC)膝关节主观功能评分分级、美国特种外科医院(Hospital for Special Surgery,HSS)评分、膝关节活动度进行对比分析。记录试验过程中的不良事件。结果·常规组和外骨骼组患者的性别、年龄、病程,膝关节损伤部位及分型间差异均无统计学意义(均P>0.05)。所有患者均完成2个月的康复训练。半月板修补术后常规组和外骨骼组患者康复前Lysholm评分和IKDC评分的优良率、HSS评分和膝关节活动度差异均无统计学意义(均P>0.05);康复训练2个月后2组患者Lysholm评分和IKDC评分的优良率,以及HSS评分均较康复前显著提高(均P<0.05),且常规组Lysholm评分和IKDC评分的优良率,以及HSS评分均显著低于外骨骼组(均P<0.05)。常规组患者康复前后膝关节活动度改善无统计学意义(P>0.05),而外骨骼组康复前后膝关节活动度改善有统计学意义(P=0.000),且康复后外骨骼组膝关节活动度显著大于常规组(P=0.001)。康复训练期间,2组患者均未见明显不良反应。结论·对于关节镜下半月板修补术后康复期患者,在同时联合常规康复疗法的情况下,下肢外骨骼康复机器人比CPM对于促进膝关节功能恢复,提高膝关节活动度的效果更加显著。

基于膝关节外骨骼张弛穿戴系统的动力学性能优化

旨在提高下肢外骨骼的穿戴舒适性与承载有效性,设计了一种新型超越离合器驱动的张弛穿戴系统研究原型,深入开展该系统仿生工作机理的阐述及其动力学性能的优化研究。首先,鉴于下肢外骨骼人-机穿戴接触压力构造的复杂性以及相关材料力学参数的非线性,建立以超越离合器驱动单元为主体的外骨骼张弛系统等效模型,并进行刚柔耦合动力学仿真。其次,基于Ansys workbench的DesignXplorer平台,以超越离合器棘轮厚度和棘轮质心平面与轮盘质心平面间的距离等要素为优化参数,以弹簧节点的最大加速度数值、弹簧节点的最大速度数值和棘轮棘爪接触处的最大应力为优化目标,对该系统展开结构设计优化。最后,通过仿真优化前后数据对比,佐证了优化后张弛穿戴系统具有较好的动力学性能及所采用研究方法合理有效,为后续外骨骼人-机并联张弛穿戴系统的承载舒适性研究与详细设计提供理论基础。

外骨骼膝关节构型设计与分析

针对长时间的半蹲姿势加重膝关节承重问题,提出了一种新型外骨骼膝关节设计.首先,基于螺旋理论对机构的可动性进行分析,并通过对外骨骼关节进行运动学分析并建立雅可比矩阵;进而利用虚功原理推导出关节的全刚度矩阵;最后,分析了机构在静载荷下的变形情况,给出关节的空间变形规律.仿真结果表明:该新型骨骼漆关节设计可用于任意转角的锁紧,为外骨骼膝关节的进一步研究提供了理论参考依据.

气动肌肉驱动的下肢外骨骼膝关节结构设计

为了解决气动人工肌肉收缩率小、驱动关节运动范围不足等问题,本文提出了一种气动肌肉驱动的双四杆下肢外骨骼膝关节机构,通过对关节机构运动学动力学分析,应用粒子群优化算法对结构进行优化设计,并通过MATLAB仿真软件进行验证。结果表明,本文设计的双四杆下肢外骨骼关节可以满足步行要求,所提出的外骨骼膝关节设计方法可应用于其他外骨骼关节中,对下肢外骨骼机器人的设计具有一定的指导作用。

可穿戴膝关节外骨骼结构设计与运动分析

机械外骨骼是模仿生物界外骨骼研发的一种新型机电装置。设计了一款可穿戴式柔性膝关节外骨骼,采用人体下肢5杆简化模型进行运动学和动力学分析。通过Matlab/Simulink仿真分析,所得的膝关节角度变化曲线与CGA标准曲线基本一致,验证了数学模型的正确性;通过ADAMS动态仿真,模型能正常行走,验证了驱动函数的正确性,所得的膝关节力矩变化曲线,为后面的控制做准备。研制了相关样机,通过穿外骨骼和不穿外骨骼进行对比试验,观察膝关节角度的变化情况,验证该机构的合理性。

一种新型仿生变胞膝关节外骨骼机器人及其多体运动尺度综合方法研究

针对人体步态周期的摆动相与承载相生物力学特征,创新性的提出一种集变胞仿生膝关节外骨骼机器人与具有“J”型轨迹特征运动副人体等效下肢为一体的人-机并联研究原型,在深入解析其变胞运动承载仿生工作机理的基础上,系统提出一种多体运动尺度综合方法。该方法首先基于多体运动学,系统构建人-机并联运动学模型;其次针对该外骨骼对其穿戴位置滑移与下肢个体差异的有效几何包容,提出一种新型运动学综合性能评价指标——仿生灵巧包容度;再次将多体运动尺度综合问题归结为一类多目标优化问题;最后计及不同人群的步态差异性,采用压缩粒子群算法,深入开展膝关节外骨骼系统多体运动尺度综合数值仿真。通过仿真数据对比与参数敏感性分析,佐证该膝关节外骨骼机器人所具有的变胞仿生运动学综合性能,以及多体运动尺度综合方法的合理性与有效性,为后续研究原型承载有效性的相关研究,提供理论基础。

计及舒适性的膝关节外骨骼机器人张弛穿戴系统性能优化及方法研究

为了提高穿戴舒适性与承载有效性,本文在提出一种膝关节外骨骼机器人张弛穿戴系统原型及其工作机制解析的基础上,对该系统开展静力学优化综合及其方法研究。首先,本文基于系统虚拟样机模型的构建,构造一种计及应力、变形及受力结点占比等要素的综合穿戴舒适度评价指标;其次,基于系统虚拟样机静力学仿真,结合评价指标,开展多目标遗传优化与铠甲层拓扑构型的局部优化综合;最后,通过模型重建仿真数据证实了该系统具有良好的穿戴舒适性。本研究为后续穿戴系统的承载性能及样机建造提供了理论基础。