長時間保持站立或某種角度蹲姿容易對人體肌肉造成損傷,輕則造成肌肉持續(xù)疼痛,重則引發(fā)職業(yè)性肌肉骨骼疾病(WMSDs)。在美國WMSDs占所有職業(yè)疾病的65%,我國某些職業(yè)如裝配工WMSDs發(fā)病率高達90%,WMSDs給人類健康造成巨大威脅。為了預防WMSDs或緩解患者肌肉的疼痛,本文設(shè)計了一種新型重力支撐下肢外骨骼,用于支撐人體下蹲時的部分體重,以達到減小關(guān)節(jié)力,從而分擔部分肌肉力的功效。首先以人體為研究對象,將軀干、大腿、小腿和足部等效為等質(zhì)量剛性桿,將髖、膝和踝關(guān)節(jié)等效為鉸鏈,建立了人體四桿模型,利用Vicon運動捕捉系統(tǒng)實驗測量的人體下蹲過程中關(guān)節(jié)角度,結(jié)合模型計算關(guān)節(jié)內(nèi)力,解決了關(guān)節(jié)內(nèi)力難以直接測量的難題。模型計算與實驗測量的足底壓力結(jié)果一致,證明人體四桿模型的正確性。通過模型計算人體保持某種蹲姿時各個關(guān)節(jié)力,為結(jié)構(gòu)設(shè)計奠定理論基礎(chǔ)�；陉P(guān)節(jié)內(nèi)力的計算結(jié)果,設(shè)計開發(fā)了一種質(zhì)量輕、造價低、功耗低、穿戴舒適且可以自動控制膝關(guān)節(jié)自鎖的重力支撐外骨骼。在外骨骼機構(gòu)設(shè)計方面,將人體膝關(guān)節(jié)視為鉸鏈,分析并設(shè)計了棘輪自鎖及其控制機構(gòu);為了使外骨骼能夠適用于身高范圍在1.5~1.8米的人群,設(shè)計了長度調(diào)節(jié)機構(gòu)。針對自鎖控制問題,設(shè)計了基于膝關(guān)節(jié)角度變化驅(qū)動的控制系統(tǒng),用于解放用戶雙手;為了計算控制系統(tǒng)功耗大小,模擬了裝配工人穿戴外骨骼工作的場景,計算結(jié)果表明:外骨骼每次充滿電可供裝配線工人使用5天。在此基礎(chǔ)上,對外骨骼穿戴舒適性進行仿真分析,將外骨骼和人體肌肉骨骼系統(tǒng)分析軟件Opensim中的Gait2392型下肢肌肉骨骼模型耦合,分析比較人體穿戴外骨骼前后(外骨骼不自鎖)正常行走和下蹲時肌肉力和肌肉代謝的變化。仿真結(jié)果中的肌肉力和肌肉代謝大小基本不變,表明外骨骼對人體行走和下蹲運動影響較小,外骨骼結(jié)構(gòu)設(shè)計合理。此外,利用Opensim證實了人機膝關(guān)節(jié)同軸下肢重力支撐外骨骼穿戴更加舒適,驗證了文中外骨骼結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性。最后,制作了實物樣機,并通過實驗分析其性能。利用Vicon運動捕捉系統(tǒng),分析外骨骼對人體行走步態(tài)的影響,實驗結(jié)果證明:外骨骼對人體行走步態(tài)影響較小;利用AMTI OR60測力板測量人體下蹲時足底壓力,聯(lián)合Opensim軟件計算外骨骼支撐人體時肌肉力和肌肉代謝大小的變化,計算結(jié)果表明:人體穿戴外骨骼保持90度蹲姿時,足底壓力減少65.16%,股直肌肌肉力減少54.05%,股外側(cè)肌肌肉力減少32.8%;實驗測定外骨骼支撐人體時肌肉肌電信號的變化,結(jié)果表明:外骨骼支撐人體90度蹲姿時,股直肌和股外側(cè)肌肌電幅值分別降低93.2%和88.96%。仿真和實驗結(jié)果表明設(shè)計的外骨骼能夠支撐人體下蹲時部分體重,實現(xiàn)減少肌肉力的目的,且對人體下肢運動影響較小。
【學位單位】：華中科技大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：TP242
【部分圖文】：

(a)外骨骼實物圖 (b)外骨骼原理圖圖 1-3 Honda 重力支撐外骨骼系統(tǒng)渥太華-卡爾頓生物醫(yī)學工程研究所 Zlatko Lovrenovic 等，針對人由于口老齡化肥胖引起骨關(guān)節(jié)炎和糖尿病患病率上升的問題，設(shè)計了一款步行輔助外骨骼用于助老年人保持行動能力[16]，如圖 1-4 所示。該輔助外骨骼為純被動式外骨骼，穿戴穿戴外骨骼行走時，通過座椅機構(gòu)的位移拉伸彈簧，進而在使用者的骨盆上產(chǎn)生向

(a)輔助行走外骨骼模型圖 (b)輔助行走外骨骼原理圖圖 1-4 渥太華-卡爾頓生物醫(yī)學工程研究所輔助外骨骼由 S. Krut 等人創(chuàng)建的 MoonWalke[17]，如圖 1-5 所示。該裝置由四個單元組成腿桿、兩個定制鞋、一個力平衡器以及力傳遞機構(gòu)。兩個腿桿是彎曲的，以便期間不干擾穿戴者的腿。每個腿桿結(jié)構(gòu)的上端連接到剛性梁，該剛性梁是力傳的一部分。在運動期間，線性致動器將剛性梁移向支撐腿。通過這樣做，地面力的一部分將通過支撐腿傳輸并指向用戶的骨盆，以達到支撐人體部分體重。該外骨骼想法新穎，但結(jié)構(gòu)復雜，質(zhì)量較重。

如圖1-6 所示。它的主要工作原理是當人體處于行走支撐相時，通過柔性外骨骼系統(tǒng)將人體重力作用在膝關(guān)節(jié)的力部分傳遞到地面，進而減少用戶患膝關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎的風險。此外該外骨骼系統(tǒng)設(shè)計了仿生膝關(guān)節(jié)與一般的鉸鏈膝關(guān)節(jié)不同，它同時存在滾動和滑動兩種運動方式，使其穿戴更加的舒服。此外作者還對比了穿戴外骨骼前后，穿戴者步態(tài)變化以及足底壓力變化的實驗。實驗證明，穿戴外骨骼前后穿戴者行走步態(tài)沒有明顯的變化，足底壓力有明顯降低。該外骨骼主要優(yōu)點在于結(jié)構(gòu)簡單，質(zhì)量較輕，穿戴舒適。但它的減重大小受小腿桿支撐彈簧剛度影響，人體穿戴外骨骼后，長度調(diào)節(jié)不方便。(a)外骨骼總體模型圖 (b)外骨骼支撐體重原理圖圖 1-6 柔性重力支撐外骨骼西安交通大學學生面向生產(chǎn)線裝配工人設(shè)計了一款被動式的用于支撐人體體重的外骨骼[19]，如圖 1-7 所示。這是一款純被動式的外骨骼，工作時不需要外部電源和控制元件。該外骨骼還設(shè)計了一種可以調(diào)整三種蹲姿的滑塊機構(gòu)，通過調(diào)整坐姿來適應不同條件的需要。它機械結(jié)構(gòu)簡單，質(zhì)量較輕，雙腿約 2.5kg，外骨骼通過綁帶綁

【參考文獻】

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本文編號：2813625