一种液体弹簧式自身力源膝关节助力矫形器的设计思路与生物力学分析

本文设计并制造了一款微型硅油液体弹簧,并通过仿真分析与力学实验对微型硅油液体弹簧的性能进行了研究。基于此微型硅油液体弹簧设计了一款自身力源膝关节助力矫形器,能够将膝关节屈曲的动能转换为膝关节助力矫形器中微型硅油液体弹簧的弹性势能进行存储,在膝关节伸展时弹性势能释放转换为驱动膝关节的辅助力矩。结果显示,本文所制造微型硅油液体弹簧平均最大复位力为1240 N,产生的膝关节平均最大辅助力矩为29.8 N·m。然后,本文通过使用人体骨骼肌肉多体动力学模型,分析了人体下蹲过程中(膝关节屈曲90°),膝关节助力矫形器对膝关节生物力学所产生的影响。结果显示,对于体重为80 kg的使用者而言,膝关节助力矫形器可以有效降低膝关节的生物力学负荷,其中股骨-胫骨的膝关节力、髌骨-股骨髁的作用力以及股四头肌-韧带力的最大值分别降低了24.5%、23.8%与21.2%。本文所设计的膝关节助力矫形器不仅可以为膝关节提供充足的辅助力矩,同时具备体积小、重量轻的优势,可为后续的商业化应用奠定基础。