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基于人体动力学分析的下肢外骨骼助力设计及机构优化

         
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为设计助力效果良好的被动式下肢外骨骼,基于对人体行走的运动和力学特征以及相关主要肌群的力学表现的分析,提出了一种下肢外骨骼优化设计方法。通过开展人体行走实验,获取人体运动学信息和足底反力,并将其用于驱动Anybody仿真,从而得到人体行走过程中下肢肌肉的力学数据。借助Hill肌肉模型建立人体矢状面内的髋关节肌肉-肌腱-骨骼简化模型,并在该模型中添加虚拟扭簧以模拟助力外骨骼的作用,形成人体-外骨骼一体化模型。在此基础上,对穿戴助力外骨骼行走时的人机交互力以及穿戴者的肌肉激活情况进行量化分析。建立以扭簧刚度为变量的肌肉激活程度、代谢能计算模型,并以代谢能最低为目标,利用粒子群算法对虚拟扭簧的刚度进行优化以获得最优值。据此,提出髋关节助力外骨骼机构设计方案,并以机构的辅助力矩与虚拟扭簧力矩差值最小为目标进行优化,得到机构中拉簧刚度和各个连杆尺寸的最优值,作为外骨骼机构设计参数。同时,制作髋关节助力外骨骼样机并开展助力行走实验。结果表明,穿戴该助力外骨骼行走时人体代谢能降低效果显著。研究方法可为其他下肢外骨骼的设计和分析提供借鉴。

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