發(fā)布時(shí)間：2019-09-25 05:12

【摘要】：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(gè)重要原因。然而,膝關(guān)節(jié)在日常活動(dòng)中一直受到高強(qiáng)度的載荷,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(shí)的疼痛感,本文設(shè)計(jì)、分析了一種被動(dòng)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(dòng)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(dòng)相,膝關(guān)節(jié)自由屈曲使得下肢擺動(dòng)。由于人體膝關(guān)節(jié)內(nèi)力和內(nèi)力矩很難直接測(cè)量,本文建立了下肢行走動(dòng)力學(xué)模型和膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)模型,用于計(jì)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(cè)量,上述模型計(jì)算得到的膝關(guān)節(jié)內(nèi)力結(jié)果與人體實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比相符,證明了模型的準(zhǔn)確性。人體不穿戴外骨骼行走時(shí),膝關(guān)節(jié)是一個(gè)開環(huán)運(yùn)動(dòng)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時(shí),人體膝關(guān)節(jié)和外骨骼膝關(guān)節(jié)組成了節(jié)個(gè)人機(jī)閉環(huán)運(yùn)動(dòng)鏈,如果外骨骼自由度不足以容納人體膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng),比如人機(jī)關(guān)節(jié)中心不對(duì)心或者運(yùn)動(dòng)學(xué)不匹配,外骨骼很容易對(duì)人體關(guān)節(jié)造成傷害。本文提出了一個(gè)相對(duì)完整的人機(jī)膝關(guān)節(jié)耦合模型,分析了人機(jī)耦合閉環(huán)運(yùn)動(dòng)鏈的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué),定量化描述了不同外骨骼結(jié)構(gòu)對(duì)人體膝關(guān)節(jié)的影響。實(shí)驗(yàn)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(jī)構(gòu)能夠有效減小人機(jī)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),減小對(duì)人體膝關(guān)節(jié)的損傷�；谙リP(guān)節(jié)對(duì)人體行走步態(tài)擺動(dòng)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(dòng)相,膝關(guān)節(jié)自由屈曲,髖關(guān)節(jié)彈簧釋放能量驅(qū)動(dòng)外骨骼�；谥蜗嗪蛿[動(dòng)相的不同支撐力和膝關(guān)節(jié)角度的步態(tài)特點(diǎn),設(shè)計(jì)雙卡扣機(jī)構(gòu),仿真和實(shí)驗(yàn)證明了自適應(yīng)膝關(guān)節(jié)在支撐相的鎖扣和擺動(dòng)相的自由轉(zhuǎn)動(dòng)上的功能。實(shí)驗(yàn)證實(shí)了人體穿戴和沒有穿戴外骨骼后的下肢關(guān)節(jié)軌跡沒有明顯改變,外骨骼對(duì)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(dòng)外骨骼運(yùn)動(dòng)的能量。最后,針對(duì)人機(jī)協(xié)同運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)了外骨骼對(duì)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�；趯�(duì)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(shí)時(shí)感知右髖關(guān)節(jié)的角度,在得到右髖關(guān)節(jié)的步態(tài)參數(shù)后,延時(shí)半個(gè)周期,將右髖關(guān)節(jié)的步態(tài)參數(shù)“復(fù)制”給左髖關(guān)節(jié),實(shí)現(xiàn)左腳相對(duì)于右腳的步態(tài)跟隨。本文提出了一種基于行走步態(tài)的被動(dòng)式重力支撐柔性下肢外骨骼,系統(tǒng)性地闡述了其設(shè)計(jì)原理和設(shè)計(jì)方法,實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其對(duì)于人體關(guān)節(jié)耦合和行走步態(tài)中重力支撐的有效性。
【圖文】：

主要運(yùn)動(dòng)是在一個(gè)平面上的轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，次要運(yùn)動(dòng)是在另一面的彎曲和伸展運(yùn)逡逑動(dòng)（困１－１邋（ｂ）邋［ｉｓ］）。為了臨床上系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化統(tǒng)計(jì)，有學(xué)者將膝關(guān)節(jié)建模為六逡逑個(gè)自由度關(guān)節(jié)，Ｗ便于將膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)對(duì)比（圖１－１邋（Ｃ）［ｌ９］）。逡逑e$—修逡逑＼邋６邋Ｓ．邋１邐ＭQ啠眨㈠危茫希危模伲蹋希桑膩�。NB逡逑（ａ）邐似邐似逡逑＂Ｉ邐邐邐＇邐’邐１￣￣．邋邋６０邋，逡逑Ｉ．琴邐＇邐ｐｗ邐Ｉ逡逑－規(guī)邐置邐４０＾邐Ｂｉｏ邋Ｊｏｉｎ．邋Ｐｉｎ邋Ｊｏｉｎ．逡逑＇Ｉ邐ｊｆ邐Ｎｋ、ｅｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎ逡逑Ｉ邐２０；＇邋。二＂－３邐＾逡逑二彲逡逑－Ｈ拍邐＾邐ｊ）邐備邋ｉ邐＇逡逑．１２０邋＊邐邐邐邐邐．邋邐０邋２０邋４０邋６０邋８０邋１００逡逑０邋２０邋４０邋６０邋ＳＯ邋１００邋１２０邐Ｆｌｅｘｉｏｎ邋ａｎｇｌｅ邋（ｄｅｇｒｅｅ）逡逑（ｄ）邐（ｅ）逡逑圖１－１膝關(guān)節(jié)模型逡逑（ａ）校鏈膝關(guān)節(jié)Ｗ；邋（ｂ）膝關(guān)節(jié)踩模型［ｉｓ］；邋（ｃ）六自由度膝關(guān)節(jié)模型（ｄ）膝關(guān)節(jié)滾動(dòng)和滑逡逑動(dòng)ＰＷ；邋（ｅ）由于兩桿機(jī)構(gòu)造成的膝關(guān)節(jié)內(nèi)為損傷ＰＷ逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１－１邋Ｋｎｅｅ邋ｊｏｉｎｔ邋ｍｏｄｅｌｓ：邋（ａ）邋Ｐｉｎｎｅｄ邋ｋｎｅｅ；邋（ｂ）邋ｋｎｅｅ邋ｃｏｎｄｙｌｅ邋ｍｏｄｅｌ；邋（ｃ）邋６－ＤＯＦｓ邋ｋｎｅｅ邋ｍｏｄｅｌ；邋（ｄ）逡逑Ｋｎｅｅ邋ｒｏｌｌｓ邋ａｎｄ邋ｓｌｉｄｅｓ；邋（ｅ）邋Ｌａｒｇｅ邋ｋｎｅｅ邋ｉｎ化ｍａｌ邋ｆｏｒｃｅ邋ｄｕｅ邋陽邋ｔｗｏ－ｌｉｎｋ邋ｍｅｃｈａｎｉｓｍ；逡逑因此，在設(shè)計(jì)外骨骼關(guān)節(jié)時(shí)，必須考慮生物關(guān)節(jié)的自然運(yùn)動(dòng)和生理學(xué)特性。逡逑Ｗ膝關(guān)節(jié)為例

１．２．１下肢外骨格重力支捧技術(shù)研究進(jìn)展逡逑利用下肢外骨骼支撐人體行走時(shí)的重為的想法始于１８９０年美國(guó)專利局授予逡逑Ｙａｇｎ的＂輔助行走、跑步及跳躍的裝置＂（圖１－２）邋［２８］。他的發(fā)明包括與下肢并逡逑聯(lián)的長(zhǎng)條狀弓形板灻，目的是增強(qiáng)人體行走、跑步和跳躍的能為。每塊板灻在腳逡逑觸地時(shí)扣住地面并發(fā)生微小變形收縮，將人體的部分體重通過板灻變形傳遞到地逡逑面，從而減小下肢的體重支撐力。當(dāng)人的腳脫離地面時(shí)，與人并聯(lián)的扳尰脫離人逡逑體，人體下肢可Ｗ自由運(yùn)動(dòng)，不受到板灻的干擾。然而這個(gè)設(shè)計(jì)并未付請(qǐng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)逡逑證，，沒有可查資料表明這個(gè)設(shè)計(jì)能夠成功實(shí)施。逡逑１１１１逡逑圖１－２輔助行走、跑步、跳妖的堓置逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１－２邋Ａｐｐａｒａｔｕｓ邋ｆｏｒ邋ｆａｃｉｌｉｔａｔｉｎｇ邋ｗａｌｋｉｎｇ，邋ｒｕｎｎｉ打ｇ，ａｎｄ邋ｊｕｍｐｉｎｇ逡逑５逡逑
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：R684.3;R318.01

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本文編號(hào)：2541260