基于行走步態(tài)的被動式重力支撐柔性下肢外骨骼系統(tǒng).pdf

1、膝關(guān)節(jié)是人體最重要的關(guān)節(jié)之一，膝關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎(OA)是膝關(guān)節(jié)中最普遍的關(guān)節(jié)疾病。研究表明，膝關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)生與人體生理和心理因素有關(guān)，其中膝關(guān)節(jié)負(fù)載過大是一個重要原因。然而，膝關(guān)節(jié)在日?；顒又幸恢笔艿礁邚姸鹊妮d荷，比如行走、爬樓梯、下樓梯和雙腿站立。為了預(yù)防膝關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎的病變、減輕患者行走時的疼痛感，本文設(shè)計、分析了一種被動式重力支撐下肢外骨骼系統(tǒng)，利用下肢柔性關(guān)節(jié)減輕膝關(guān)節(jié)中的負(fù)載壓力。
　　人體行走步態(tài)通常分為支撐相和擺動

2、相。在支撐相，膝關(guān)節(jié)具有將人體體重傳遞到地面的功能;在擺動相，膝關(guān)節(jié)自由屈曲使得下肢擺動。由于人體膝關(guān)節(jié)內(nèi)力和內(nèi)力矩很難直接測量，本文建立了下肢行走動力學(xué)模型和膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)模型，用于計算膝關(guān)節(jié)脛骨和股骨之間的正向作用力?；谧愕讐毫拖轮P(guān)節(jié)角度的測量，上述模型計算得到的膝關(guān)節(jié)內(nèi)力結(jié)果與人體實驗結(jié)果對比相符，證明了模型的準(zhǔn)確性。
　　人體不穿戴外骨骼行走時，膝關(guān)節(jié)是一個開環(huán)運動鏈，膝關(guān)節(jié)沒有額外的外力負(fù)載。當(dāng)人體穿戴上外骨骼行走

3、時，人體膝關(guān)節(jié)和外骨骼膝關(guān)節(jié)組成了一個人機閉環(huán)運動鏈，如果外骨骼自由度不足以容納人體膝關(guān)節(jié)的運動，比如人機關(guān)節(jié)中心不對心或者運動學(xué)不匹配，外骨骼很容易對人體關(guān)節(jié)造成傷害。本文提出了一個相對完整的人機膝關(guān)節(jié)耦合模型，分析了人機耦合閉環(huán)運動鏈的運動學(xué)、動力學(xué)，定量化描述了不同外骨骼結(jié)構(gòu)對人體膝關(guān)節(jié)的影響。實驗證明，一種包含旋轉(zhuǎn)滑槽和凸輪的自適應(yīng)膝關(guān)節(jié)機構(gòu)能夠有效減小人機物理交互導(dǎo)致的膝關(guān)節(jié)內(nèi)力和內(nèi)力矩，能夠較好地匹配人體生理膝關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)，減

4、小對人體膝關(guān)節(jié)的損傷。
　　基于膝關(guān)節(jié)對人體行走步態(tài)擺動相和支撐相的分類，重力支撐下肢外骨骼系統(tǒng)具有重力支撐和關(guān)節(jié)耦合的雙重功能。在支撐相，外骨骼膝關(guān)節(jié)將重力傳遞到踝關(guān)節(jié)彈簧，髖關(guān)節(jié)彈簧回收能量。在擺動相，膝關(guān)節(jié)自由屈曲，髖關(guān)節(jié)彈簧釋放能量驅(qū)動外骨骼。基于支撐相和擺動相的不同支撐力和膝關(guān)節(jié)角度的步態(tài)特點，設(shè)計雙卡扣機構(gòu)，仿真和實驗證明了自適應(yīng)膝關(guān)節(jié)在支撐相的鎖扣和擺動相的自由轉(zhuǎn)動上的功能。實驗證實了人體穿戴和沒有穿戴外骨骼后的下肢

5、關(guān)節(jié)軌跡沒有明顯改變，外骨骼對人體步態(tài)沒有影響。減小的足底壓力和膝關(guān)節(jié)內(nèi)力證明了外骨骼能夠支撐人體重力的20％，髖關(guān)節(jié)彈簧回收的能量能夠節(jié)約61.5％的被動外骨骼運動的能量。
　　最后，針對人機協(xié)同運動，實現(xiàn)了外骨骼對人體步態(tài)的智能感知和跟隨。髖關(guān)節(jié)角度傳感器感知到人體行走步態(tài)參數(shù)，即角度的最大值、最小值和步態(tài)周期，外骨骼能夠感知、記錄、分析人體行走的步態(tài)變化。基于對人體步態(tài)的感知，協(xié)調(diào)控制左右腳步態(tài)。以髖關(guān)節(jié)為例，實時感知右髖關(guān)