膝关节在下肢外骨骼不同驱动形式下的生物力学响应

TThe lower extremity exoskeleton is a novel robotized wearable device for the walking assistance and the load bearing, which has widely domestic and military application. However the exoskeleton characters with high load, rapid motion and active driving, impose obvious mechanical effects on human joints especially knee joint. Based on the previous investigation on the mechanical response of knee joint to the different loading, this paper adopts the dynamic finite element method to try to answer the following science issue: how does the knee joint response to the different driving mode of exoskeleton? This project plans to firstly construct the biomechanical model which combined the human knee joint model and the exoskeleton model, and then calculates the stress-strain response of knee components (e.g., ligament, meniscus, patella, cartilage and others) with the length adjusting of exoskeleton rod and the strength adjusting of driving moment respectively. Consequently the most influenced components are identified and used for define the mechanical constraints or structural constraints. The achievements of can provide theoretical and experimental data support to the functional evaluation and the novel design of future exoskeleton.

下肢外骨骼是一类新型的机器人化的穿戴式助行助力工具，具有广泛的民用和军用前景。但外骨骼的高负重、快速运动和主动驱动的特点，使其对下肢关节尤其是膝关节会造成明显的力学冲击。项目组前期研究已经分析了不同载荷下膝关节的力学响应问题，本项目拟从人机交互作用的角度，采用动态有限元分析方法回答如下科学问题：外骨骼对膝关节施加的不同驱动方式是如何影响膝关节的生物力学响应的？本项目将建立包含人体膝关节和外骨骼的生物力学模型，通过改变外骨骼的杆件长度尺寸和驱动力矩强度，获得膝关节内部构件（韧带、半月板、髌骨、软骨及其它骨骼组织）的应力应变响应规律，进而找出膝关节中受影响最大的若干构件，并据此提出外骨骼设计的力学/结构约束。项目研究将为外骨骼效用评估和新型外骨骼设计提供理论依据和实验数据支持。

人机自然协同正在成为以动力型外骨骼为代表的穿戴式智能辅具的研究热点。本项目以人机耦合机制为切入点，针对膝关节在外骨骼不同作用形式下的力学冲击问题，研究了包含外骨骼模型和膝关节模型的有限元建模、外骨骼不同驱动形式对膝关节的力学影响以及人体穿戴外骨骼后的膝关节运动学/动力学的实验测试等内容。.本项目采用方法设计、仿真分析、平台开发和性能实验相结合的技术手段，首先，建立了包含外骨骼模型和人体膝关节模型的人机耦合模型，并在Ansys环境下进行了运动仿真分析，验证了模型的运动学及动力学问题；人机交互介面上的力学变化仿真结果与分析结果一致，表明了人机耦合模型的正确性。其次，通过在人机耦合模型中设置不同的力/位约束条件，获得了膝关节在外骨骼不同驱动形式下的力学响应规律，建立了优化的约束模型，进而提出了适于健康人平地行走的外骨骼设计的力学/结构约束条件；然后，以此为基础提出了一种基于Solidworks/ SimMechanics联合建模的下肢外骨骼设计流程，整合了系统建模、功能仿真和性能评估各个阶段，提高了开发效率；最后，将前述仿真结论物化为实验平台，建立了下肢外骨骼原型装置及其控制系统，完成了模拟条件下的穿戴性能实验，结果表明：实验结果与期望基本相符，在运动精度及穿戴舒适性上仍有改进空间。.本项目研究不仅为未来进一步研究外骨骼与人体的相互耦合机理、外骨骼装置柔性化设计提供了研究方法和仿真数据，也为穿戴式康复外骨骼设备的实用化设计提供了设计依据，为性能评估提供了实验数据。研究具有良好的理论意义和实用价值。