《膝關節在下肢外骨骼不同驅動形式下的生物力學回響》是依託北京航空航天大學，由劉文勇擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：膝關節在下肢外骨骼不同驅動形式下的生物力學回響
- 依託單位：北京航空航天大學
- 項目負責人：劉文勇
- 項目類別：面上項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
下肢外骨骼是一類新型的機器人化的穿戴式助行助力工具，具有廣泛的民用和軍用前景。但外骨骼的高負重、快速運動和主動驅動的特點，使其對下肢關節尤其是膝關節會造成明顯的力學衝擊。項目組前期研究已經分析了不同載荷下膝關節的力學回響問題，本項目擬從人機互動作用的角度，採用動態有限元分析方法回答如下科學問題：外骨骼對膝關節施加的不同驅動方式是如何影響膝關節的生物力學回響的？本項目將建立包含人體膝關節和外骨骼的生物力學模型，通過改變外骨骼的桿件長度尺寸和驅動力矩強度，獲得膝關節內部構件（韌帶、半月板、髕骨、軟骨及其它骨骼組織）的應力應變回響規律，進而找出膝關節中受影響最大的若干構件，並據此提出外骨骼設計的力學/結構約束。項目研究將為外骨骼效用評估和新型外骨骼設計提供理論依據和實驗數據支持。
結題摘要
人機自然協同正在成為以動力型外骨骼為代表的穿戴式智慧型輔具的研究熱點。本項目以人機耦合機制為切入點，針對膝關節在外骨骼不同作用形式下的力學衝擊問題，研究了包含外骨骼模型和膝關節模型的有限元建模、外骨骼不同驅動形式對膝關節的力學影響以及人體穿戴外骨骼後的膝關節運動學/動力學的實驗測試等內容。 本項目採用方法設計、仿真分析、平台開發和性能實驗相結合的技術手段，首先，建立了包含外骨骼模型和人體膝關節模型的人機耦合模型，並在Ansys環境下進行了運動仿真分析，驗證了模型的運動學及動力學問題；人機互動介面上的力學變化仿真結果與分析結果一致，表明了人機耦合模型的正確性。其次，通過在人機耦合模型中設定不同的力/位約束條件，獲得了膝關節在外骨骼不同驅動形式下的力學回響規律，建立了最佳化的約束模型，進而提出了適於健康人平地行走的外骨骼設計的力學/結構約束條件；然後，以此為基礎提出了一種基於Solidworks/ SimMechanics聯合建模的下肢外骨骼設計流程，整合了系統建模、功能仿真和性能評估各個階段，提高了開發效率；最後，將前述仿真結論物化為實驗平台，建立了下肢外骨骼原型裝置及其控制系統，完成了模擬條件下的穿戴性能實驗，結果表明：實驗結果與期望基本相符，在運動精度及穿戴舒適性上仍有改進空間。 本項目研究不僅為未來進一步研究外骨骼與人體的相互耦合機理、外骨骼裝置柔性化設計提供了研究方法和仿真數據，也為穿戴式康復外骨骼設備的實用化設計提供了設計依據，為性能評估提供了實驗數據。研究具有良好的理論意義和實用價值。
