检索历史 清除

摘要自人类进入直立行走时代到现在，我们的肌肉、骨骼和神经系统就在不断进化以优化人体下肢运动能力，其中能量消耗扮演者重要角色。即使在现在，依然在行走过程中不断调整步频、步长来减少不必要的能量消耗。行走所带来的能量消耗超过日常生活中任何其他身体活动所带来的能量消耗，同时，持续行走下引起的肌肉疲劳更会增加这部分能量消耗。自1890年开始，科研人员就在试图研发可以辅助人体运动的外骨骼，并在近些年取得了较好的成果。而国内对下肢外骨骼的研究起步较晚，各科研机构基本都处于基本样机阶段，因此加快对该领域的技术研究，极具研究价值和市场前景。本文基于人类行走过程中跟腱独特的能量储存和释放规律，设计了一种基于弹性元件刚度切换的运动辅助踝关节外骨骼，并基于人体步态运动规律进行运动规划与控制，最后，基于新陈代谢率和肌肉活性分析外骨骼主动辅助性能。主要的工作如下：<br>　　1)利用多目运动捕捉系统，获得人体下肢步态运动规律。基于人类行走过程中跟腱独特的能量储存和释放规律，设计一种基于弹性元件刚度切换的运动辅助踝关节外骨骼，设计可控离合机构对弹性元件进行刚度切换以实现有效的能量存储与释放，采用直线驱动机构增加弹性元件的形变量以提高其储能能力。<br>　　2)基于人体下肢步态运动规律，进行外骨骼运动规划，考虑到平地行走过程中步与步之间步态信息差异性，利用前五个步态周期足底压力信息和关节角度信息规划下一周期外骨骼运动，最后，搭建外骨骼控制系统，利用压力传感器检测足底压力，利用姿态角度传感器模块实时测量关节角度信息，实现外骨骼运动控制。<br>　　3)基于新陈代谢率和肌肉活性开展下肢步态实验分析外骨骼在主动辅助方面的性能，并验证步速、弹簧刚度和行走坡度对外骨骼主动辅助性能的影响，在对肌肉活性进行分析前，分别对足底压力信号和肌电信号做滤波处理，并做归一化处理获得平均肌肉活性在一个步态周期的分布规律，获得直观可靠的肌肉活性评价指标。<br>　　4)实验证明，当穿戴该外骨骼时，无论弹簧刚度如何，与外骨骼不辅助相比，外骨骼辅助都可降低人体新陈代谢能。与人体下肢运动相关的肌肉活动在步态不同阶段也呈现不同程度的减弱。