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文檔簡(jiǎn)介
1、外骨骼機(jī)器人是一種穿戴式具有防護(hù)、助力和助行等功能的機(jī)器人,在軍事、康復(fù)醫(yī)療等領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的市場(chǎng)前景,也是國(guó)內(nèi)外競(jìng)相研究的熱點(diǎn)。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,人們對(duì)生活質(zhì)量和生命健康更加關(guān)注和重視。與此同時(shí),人口老齡化及肢殘人的增加也帶來(lái)了重大社會(huì)問(wèn)題,對(duì)智能型外骨骼康復(fù)機(jī)器人有著廣泛需求。但是,由于存在可穿戴性、高可靠性、人機(jī)交互、智能控制等技術(shù)難點(diǎn),真正走向臨床應(yīng)用的外骨骼機(jī)器人仍不多見(jiàn),高性能的人機(jī)交互接口及交互技術(shù)成為
2、制約其應(yīng)用的瓶頸問(wèn)題之一,而其中與外骨骼人機(jī)力交互技術(shù)密切相關(guān)的人機(jī)力交互機(jī)理,特別是骨骼肌收縮生物力學(xué)原理非常值得深入探索。
本文以實(shí)現(xiàn)對(duì)人體下肢主動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練為目標(biāo),開(kāi)發(fā)出下肢外骨骼機(jī)器人,通過(guò)分析骨骼肌中分子馬達(dá)的納米力學(xué)特性及運(yùn)行機(jī)制,探索骨骼肌生物力學(xué)原理,從微觀到宏觀構(gòu)建基于分子馬達(dá)集體運(yùn)行機(jī)制的骨骼肌力學(xué)模型,并設(shè)計(jì)基于EMG信號(hào)、接觸力信號(hào)的人機(jī)交互接口,研究人與外骨骼之間力交互機(jī)理,制訂外骨骼機(jī)器人控制策略,開(kāi)
3、展了人機(jī)力交互及機(jī)器人控制實(shí)驗(yàn)研究。本文的主要工作及取得的成果可以歸納為以下幾點(diǎn):
一、以肌球蛋白分子馬達(dá)為對(duì)象,分析分子馬達(dá)的納米力學(xué)特性及運(yùn)行機(jī)制。針對(duì)分子馬達(dá)的循環(huán)工作過(guò)程,探索了分子馬達(dá)在van der Waals力、Casimir力、靜電力及布朗力等耦合作用下向肌動(dòng)蛋白絲接近并結(jié)合的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,建立了分子馬達(dá)循環(huán)過(guò)程的動(dòng)力學(xué)模型,通過(guò)Monte Carlo方法對(duì)分子馬達(dá)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程模擬發(fā)現(xiàn),接近過(guò)程中當(dāng)分子馬達(dá)與細(xì)肌絲表
4、面距離大于3 nm時(shí),起主要作用的力為Casimir力和靜電力;當(dāng)距離小于3 nm時(shí),van der Waals力和靜電力使分子馬達(dá)向細(xì)肌絲軌道快速接近,比較這幾個(gè)力的影響可知,接近過(guò)程中靜電引力占主導(dǎo),并由此闡明了分子馬達(dá)開(kāi)始運(yùn)行并使肌肉收縮的力學(xué)機(jī)理,解析了鈣離子在肌肉收縮中的關(guān)鍵作用,同時(shí)分析了分子馬達(dá)所處空間勢(shì)場(chǎng)對(duì)肌纖維結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響。
二、通過(guò)分析分子馬達(dá)集體運(yùn)行特性,利用非平衡態(tài)統(tǒng)計(jì)力學(xué)方法從微觀到宏觀構(gòu)建了新的
5、骨骼肌力學(xué)模型。首先研究分子馬達(dá)的集體運(yùn)行機(jī)制,為了反映分子馬達(dá)一個(gè)循環(huán)周期的N個(gè)狀態(tài),構(gòu)建位移變量概率密度的Fokker-Planck方程,并考慮肌小節(jié)空間結(jié)構(gòu)特征、分子馬達(dá)彈性系數(shù)、肌小節(jié)橫截面積等因素,推導(dǎo)出肌小節(jié)主動(dòng)收縮力學(xué)模型,通過(guò)計(jì)算位移變量的概率密度分布,分析了ATP濃度、負(fù)載力對(duì)主動(dòng)收縮力及收縮速度的影響。進(jìn)一步地,針對(duì)骨骼肌激活與收縮過(guò)程,建立動(dòng)作電位頻率與肌小節(jié)收縮力之間穩(wěn)態(tài)關(guān)系,考慮肌小節(jié)的串并聯(lián)作用,最終從微觀到
6、宏觀建立基于分子馬達(dá)集體運(yùn)行機(jī)制的骨骼肌力學(xué)模型。計(jì)算表明,隨著動(dòng)作電位頻率的增加,肌漿中鈣離子濃度先線性上升并逐漸趨于飽和,主動(dòng)收縮力出現(xiàn)融合并跟隨鈣離子濃度變化趨勢(shì),當(dāng)動(dòng)作電位處于最大頻率時(shí)肌肉強(qiáng)直收縮,在ATP濃度飽和情況下,肌肉最大等長(zhǎng)收縮力主要取決于分子馬達(dá)數(shù)目、彈性系數(shù)、肌肉橫截面積等物理參數(shù),由于動(dòng)作電位的疊加形成EMG信號(hào),由此為開(kāi)展EMG信號(hào)特征與肌肉力之間聯(lián)系研究奠定了理論基礎(chǔ)。
三、針對(duì)人體下肢關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)范
7、圍大、自由度多、關(guān)節(jié)力矩大等運(yùn)動(dòng)特征,從仿生學(xué)角度設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了多功能下肢外骨骼機(jī)器人,開(kāi)發(fā)出并聯(lián)關(guān)節(jié)式外骨骼踝關(guān)節(jié)。外骨骼機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊,膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)范圍0~110度、髖關(guān)節(jié)-25~55度,能滿足人體步行要求,并聯(lián)踝關(guān)節(jié)能實(shí)現(xiàn)人體踝關(guān)節(jié)背屈/跖屈、內(nèi)翻/外翻兩個(gè)自由度運(yùn)動(dòng),外骨骼機(jī)器人適合身高在155cm~190cm的人使用,并可主動(dòng)調(diào)整人體重心軌跡使之符合上下波動(dòng)的特征,系統(tǒng)有較高的穩(wěn)定性和可靠性。同時(shí)開(kāi)發(fā)了基于EMG信號(hào)、力觸覺(jué)信號(hào)
8、的人機(jī)交互接口,包括傳感單元(EMG信號(hào)采集儀、交互力傳感器)、數(shù)據(jù)采集及處理單元,重點(diǎn)開(kāi)展了人與外骨骼之間力交互機(jī)理研究,建立了外骨骼機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)模型,并以人體膝關(guān)節(jié)為對(duì)象,利用大腿骨胳肌肉系統(tǒng)進(jìn)行了人體膝關(guān)節(jié)正向/逆向動(dòng)力學(xué)建模,構(gòu)建EMG信號(hào)特征頻率與肌肉收縮力、關(guān)節(jié)力矩之間函數(shù)關(guān)系。
四、開(kāi)展了人機(jī)力交互實(shí)驗(yàn)及人機(jī)接口在外骨骼機(jī)器人主動(dòng)控制中應(yīng)用。首先,完善了外骨骼機(jī)器人控制系統(tǒng)并制定了滿足不同康復(fù)訓(xùn)練要求的外骨骼控
9、制策略;其次,進(jìn)行了人機(jī)力交互實(shí)驗(yàn),通過(guò)采集大腿肌肉EMG信號(hào)、人與外骨骼交互力,利用EMG信號(hào)表征肌肉激活程度,根據(jù)肌肉力學(xué)模型計(jì)算肌肉收縮力和關(guān)節(jié)力矩,比較肌肉主動(dòng)力矩與外骨骼對(duì)人的反作用力矩,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明兩者之間吻合較好,證明了所構(gòu)建肌肉力學(xué)模型的合理性;最后,根據(jù)外骨骼機(jī)器人控制策略,對(duì)人體進(jìn)行了被動(dòng)與主動(dòng)訓(xùn)練,其中被動(dòng)模式是按照設(shè)定的步態(tài)及角度信息完成了對(duì)人體下肢訓(xùn)練,主動(dòng)模式是結(jié)合人機(jī)交互接口,采集肌肉的EMG信號(hào),利用肌肉
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