一种基于踝关节生物力学模型的外骨骼辅助性能预估方法技术

本发明专利技术公开了一种基于踝关节生物力学模型的外骨骼辅助性能预估方法，该方法通过对踝关节处的“人—外骨骼”耦合系统进行建模，将人体踝关节局部的骨骼结构表征为一个矢状面内的平面两杆机构，将外骨骼辅助力矩表征为一个施加于踝关节旋转铰链上的可变力矩，并将受到辅助的主体，即踝关节跖屈肌，根据Hill三要素模型表征为一个肌肉肌腱单元。当输入不同的外骨骼辅助力矩样式时，模型的各个部分互相作用，可以计算出肌肉肌腱单元的代谢能量消耗，进而以此评估踝关节外骨骼的辅助性能。进而以此评估踝关节外骨骼的辅助性能。进而以此评估踝关节外骨骼的辅助性能。

【技术实现步骤摘要】
一种基于踝关节生物力学模型的外骨骼辅助性能预估方法


[0001]本专利技术涉及助行外骨骼
，具体涉及一种基于踝关节生物力学模型的外骨骼辅助性能预估方法。

技术介绍

[0002]外骨骼的概念来源于生物学，研究学者们将这个概念创造性的应用到机器人开发上，形成了现今的可穿戴外骨骼机器人技术。该技术可用于为穿戴者提供保护、支撑、助力或其他服务，以补充和增强穿戴者身体的功能和性能。在工业领域、医疗领域、军事和救灾安全领域，以及在日常活动中，都已引申出丰富的应用场景。
[0003]踝关节外骨骼是助行外骨骼的一种，其工作原理是通过外骨骼驱动系统往踝关节施加一个辅助力矩，在步行运动中部分替代人体踝关节本身的发力，以此起到人体步行运动，减少人体代谢消耗的效果。由于踝关节的步行运动具有特定的生物力学性质，外骨骼施加的辅助力矩须要具备合适的样式以贴合这些性质，才能实现替代踝关节发力的效果，故辅助力矩的样式很大程度上决定了踝关节外骨骼的性能优劣。在实践中，通过搭建样机并在受试者身上进行不同辅助力矩样式的试验并对比受试者的人体代谢消耗结果，最终可以挑选出性能较好的辅助力矩样式，但该过程漫长，耗费时间和人力成本较多。另外，一款既定的样机能运行的辅助力矩样式会受到其软硬件结构的限制，导致试验不能穷尽所有辅助力矩样式，而搭建多款样机同样会耗费较多的时间和人力成本。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种基于踝关节生物力学模型的外骨骼辅助性能预估方法，用于在踝关节外骨骼的开发阶段对外骨骼的辅助性能进行理论预估，进而指导踝关节外骨骼的设计，减少开发阶段的试错成本。
[0005]本专利技术的目的可以通过采取如下技术方案达到：
[0006]一种基于踝关节生物力学模型的外骨骼辅助性能预估方法，所述外骨骼辅助性能预估方法包括以下步骤：
[0007]S1、搭建踝关节局部的矢状面两杆机构模型，将人体胫部视作一个杆件足部则视作另一个杆件两者通过踝关节处的旋转铰链O连接，绕旋转铰链O在矢状面内转动；
[0008]S2、按Hill三要素模型搭建跖屈肌的肌肉肌腱单元MTU，该肌肉肌腱单元包括CE、PEE和SEE三个子单元，其中CE和PEE子单元分别表征肌肉的主动部分和被动部分，前者可主动收缩产生位移和肌肉力，后者等效被动拉簧；SEE子单元表征肌腱，也等效被动拉簧。因此可以建立CE、PEE和SEE三个子单元之间的长度关系和受力关系，同时得到各子单元的力学性质和能量性质：CE子单元主动产生的肌肉力F
CE
与CE子单元的激活程度和长度变化相关，由此得到CE子单元的力学性质；PEE子单元的被动张力F
PEE
与PEE子单元伸长量有关，由此得到PEE子单元的力学性质；合并CE子单元的力学性质和PEE子单元的力学性质得到简化的CE子单元动力学；SEE子单元刚度与被动张力有关，由此得到SEE子单元的力学性质；CE子单元
消耗功率与肌肉激活量以及CE子单元的长度变化有关，由此得到CE子单元的能量学性质；
[0009]S3、将跖屈肌的肌肉肌腱单元装配到踝关节局部两杆机构模型中，肌肉肌腱单元上端铰接于杆件上的一点P，肌肉肌腱单元下端铰接于杆件上的点R，形成主动可变长度的杆件杆件的长度为L
MTU
；
[0010]S4、导入一个步态周期中踝关节运动角度θ
ankle
(t)，解算两杆机构模型的几何，得到一个步态周期内的肌肉肌腱单元长度L
MTU
(t)，以及肌肉肌腱单元所受的力F
MTU
对铰链O的力臂长度L
RMA
(t)；
[0011][0012][0013][0014]S5、导入一个步态周期中跖屈肌对踝关节的原生生物力矩M
total
(t)以及待预估性能的外骨骼辅助力矩样式M
EXO
(t)，两者之差是穿戴外骨骼后跖屈肌对踝关节的生物力矩M
BIO
(t)，生物力矩M
BIO
(t)与L
RMA
(t)之商即肌肉肌腱单元的肌肉力F
CE
(t)；
[0015]M
BIO
(t)＝M
total
(t)
‑
M
EXO
(t)
[0016][0017]S6、计算肌腱的长度L
SEE
，结合步骤S2中SEE子单元刚度与被动张力的关系，以及步骤S5中F
SEE
(t)的结果，积分运算求出SEE子单元的伸长量ΔL
SEE
(t)，最终得到L
SEE
，计算公式如下：
[0018][0019]L
SEE
＝L
SEE0
+ΔL
SEE
(t)
[0020]其中，K
SEE
为SEE子单元的刚度，F
SEE
为肌腱所受的力，L
SEE0
为肌腱的原始长度；
[0021]S7、计算肌肉主动部分的长度L
CE
和CE子单元收缩或伸长速度v
CE
，将步骤S4中求得的L
MTU
(t)和步骤S6中求得的L
SEE
作差得到L
CE
，L
CE
对时间差分得到v
CE
，计算公式如下：
[0022]L
CE
＝L
MTU
(t)
‑
L
SEE
[0023][0024]S8、计算归一化的肌肉激活量a，将步骤S7中求得L
CE
对最佳肌肉长度归一化得到将步骤S7中求得v
CE
对允许肌肉发力的最大收缩速度v
max
归一化得到再结合步骤S5中求得的F
CE
(t)，代入步骤S2中的CE子单元动力学方程中，最终求得归一化的肌肉激活量a；
[0025]S9、计算CE子单元代谢消耗功率并积分得到CE子单元总消耗代谢能W
met
(T)，将步骤S8中求得的和肌肉激活量a代入步骤S2中P
met
的计算公式中得到CE子单元代谢消耗功率P
met
，再将P
met
基于时间积分即可得出一段时间内的CE子单元总消耗代谢能W
met
(T)，计算公式如下：
[0026][0027]进一步地，为了准确描述Hill三要素模型中跖屈肌的肌肉肌腱单元MTU以及CE、PEE和SEE三个子单元之间的相对连接关系，其中CE子单元与PEE子单元并联组成肌肉束，SEE子单元与肌肉束串联组成MTU。所述CE、PEE和SEE三个子单元之间的长度关系和受力关系，关系式如下：
[0028]L
MTU
＝L
CE
+本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于踝关节生物力学模型的外骨骼辅助性能预估方法，其特征在于，所述外骨骼辅助性能预估方法包括以下步骤：S1、搭建踝关节局部的矢状面两杆机构模型，将人体胫部视作一个杆件足部则视作另一个杆件两者通过踝关节处的旋转铰链O连接，绕旋转铰链O在矢状面内转动；S2、按Hill三要素模型搭建跖屈肌的肌肉肌腱单元MTU，该肌肉肌腱单元包括CE、PEE和SEE三个子单元，其中CE和PEE子单元分别表征肌肉的主动部分和被动部分，前者可主动收缩产生位移和肌肉力，后者等效被动拉簧；SEE子单元表征肌腱，也等效被动拉簧；建立CE、PEE和SEE三个子单元之间的长度关系和受力关系，同时得到各子单元的力学性质和能量性质：CE子单元主动产生的肌肉力F
CE
与CE子单元的激活程度和长度变化相关，由此得到CE子单元的力学性质；PEE子单元的被动张力P
PEE
与PEE子单元伸长量有关，由此得到PEE子单元的力学性质；合并CE子单元的力学性质和PEE子单元的力学性质得到简化的CE子单元动力学；SEE子单元刚度与被动张力有关，由此得到SEE子单元的力学性质；CE子单元消耗功率与肌肉激活量以及CE子单元的长度变化有关，由此得到CE子单元的能量学性质；S3、将跖屈肌的肌肉肌腱单元装配到踝关节局部两杆机构模型中，肌肉肌腱单元上端铰接于杆件上的一点P，肌肉肌腱单元下端铰接于杆件上的点R，形成主动可变长度的杆件杆件的长度为L
MTU
；S4、导入一个步态周期中踝关节运动角度θ
ankle
(t)，解算两杆机构模型的几何，得到一个步态周期内的肌肉肌腱单元长度L
MTU
(t)，以及肌肉肌腱单元所受的力F
MTU
对铰链O的力臂长度L
RMA
(t)；(t)；(t)；S5、导入一个步态周期中跖屈肌对踝关节的原生生物力矩M
total
(t)以及待预估性能的外骨骼辅助力矩样式M
EXO
(t)，两者之差是穿戴外骨骼后跖屈肌对踝关节的生物力矩M
BIO
(t)，生物力矩M
BIO
(t)与LR
MA
(t)之商即肌肉肌腱单元的肌肉力F
CE
(t)；M
BIO
(t)＝M
total
(t)
‑
M
EXO
(t)S6、计算肌腱的长度L
SEE
，结合步骤S2中SEE子单元刚度与被动张力的关系，以及步骤S5中F
SEE
(t)的结果，积分运算求出SEE子单元的伸长量ΔL
SEE
(t)，最终得到L
SEE
，计算公式如下：L
SEE
＝L
SEE0
+ΔL
SEE
(t)其中，K
SEE
为SEE子单元的刚度，F
SEE
为肌腱所受的力，L
sEE0
为肌腱的原始长度；S7、计算肌肉主动部分的长度L
CE
和CE子单元收缩或伸长速度v
CE
，将步骤S4中求得的L
MTU
(t)和步骤S6中求得的L
SEE
作差得到L
CE
，L
CE
对时间差分得到v
CE
，计算公式如下：
L
CE
＝L
MTU
(t)
‑
L
SEE
S8、计算归一化的肌肉激活量a，将步骤S7中求得L
CE
对最佳肌肉长度归一化得到将步骤S7中求得v
CE
对允许肌肉发力的最大收缩速度v
max
归一化得到再结合步骤S5中求得的F
CE
(t)，代入步骤S2中的CE子单元动力学方程中，最终求得归一化的肌肉激...

【专利技术属性】
技术研发人员：王念峰，王梓聪，黎子田，
申请(专利权)人：广东天物新材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：