《套索人工肌肉的實現及其在穿戴式康復裝置中的套用》是依託東南大學，由王興松擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：套索人工肌肉的實現及其在穿戴式康復裝置中的套用
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：王興松
- 依託單位：東南大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
新型的、具有良好舒適性的老年助行器和傷後穿戴式康復訓練器，需要輕軟的人機結合形態。本申請提出利用索套細長、柔軟的傳動特性，採用Hill肌肉模型體制，由可控夾緊頭和套索驅動的組合實現收縮元、用彈簧實現串聯和並聯彈性元，構建“套索人工肌肉”，其可實現人體肌肉的全部收縮模式，具有類似肌肉的彈性和平順性。課題將研究人體肌肉三種典型收縮模式的套索人工肌肉實現方法；基於生物運動力學分析的人體關節驅動肌肉群的簡化與等效；“套索人工肌肉”的對抗套用及在此模式下機電關節的位移與力矩傳遞特性；對抗“套索人工肌肉”驅動關節的位移與力矩協同精密跟蹤控制；助力/康復裝置關節驅動形式最佳化與套索布置路徑最佳化；基於套索人工肌肉的串/並聯彈性，研究穿戴裝置與人體的諧振運動和儲放能節能行走機構設計問題。項目的成果將可為新型穿戴式助力/康復裝置設計提供一種實用的、靈活高效、安全舒適的傳動方式。
結題摘要
老年助行以及傷後康復訓練迫切需要新型、便攜、安全舒適的穿戴型外骨骼裝置，輕型、可控、柔順的人工肌肉驅動器對於解決這一需求具有重要的研究意義。本課題基於Hill肌肉模型設計了新型套索人工肌肉，利用電磁鐵驅動的可控夾頭和套索驅動機構構造肌肉的主動收縮單元，利用線性彈簧分別構造肌肉的串聯彈性和並聯彈性，其可實現類似肌肉的收縮力-長度-速度特性以及肌肉的典型收縮模式。利用OpenSim及開源模型Gait2392_Simbody仿真分析，得到下肢主要肌肉群的激勵度以及收縮量，對下肢肌肉群進行了簡化並根據簡化結果對套索人工肌肉進行了仿生學布置。基於生物肌肉對抗肌的形式，搭建了複式套索人工肌肉驅動機構，並基於套索靜態傳遞模型進行了複式套索人工肌肉傳遞特性建模研究，得到了力和位移傳遞特性模型，通過實驗驗證了模型的準確性。為解決套索人工肌肉驅動關節的力控制問題，研究了套索人工肌肉收縮力與總伸長量的關係模型，基於此模型提出了一種無拉力感測器的肌肉收縮力反饋控制方法，比傳統的基於拉力感測器的反饋控制更精確。設計了滑模控制算法解決套索人工肌肉驅動關節的位移跟蹤控制並在外骨骼裝置上進行了實驗驗證。通過減少套索彎曲全曲率研究了套索傳遞路經最佳化問題，對髖關節、膝關節以及踝關節的套索傳動路徑進行了最佳化。研究了人體下肢關節運動特性和步行周期特性，計算了各關節的力矩和功率消耗曲線，研究了人體持續行走所需的最小能耗以及能量補充的時機與大小作為人工肌肉能量存儲設計的依據。基於人體下肢運動機理研究以及套索人工肌肉模型理論研究，設計了套索人工肌肉驅動全下肢康復外骨骼並建立了其動力學模型，在此基礎上提出了被動跟蹤以及主動訓練控制算法，完成了人機協同運動跟蹤實驗以及基於人機互動力反饋的主動行走助力實驗。
