设计原理论文提纲

论文题目：下肢多关节被动外骨骼设计原理与方法

摘要：直立行走是人类日常生活中不可或缺的基本运动模式,由于人口老龄化、肥胖、军备竞赛等各种需求,利用科学技术实现人类行走的第二次革命不仅具有关键的学术价值,还具有重要的实际意义。下肢被动外骨骼装置是机械助力行走领域重要的组成部分,本论文利用人体肌肉骨骼系统计算机建模与仿真的方法,揭示人体内部下肢肌肉代偿策略,结合行走过程中人体下肢肌骨系统内在运作机理,提出了一种多关节弹性外肌腱嵌入下肢行走过程的有效方式,并基于该方式开发了一种可提升人体行走效率的下肢多关节被动外骨骼装置,且通过实验证明该装置能有效降低人体行走的代谢能消耗。本论文的研究成果在下肢被动外骨骼领域取得了创新性的突破,为助力型被动外骨骼的设计提供了新的理论与方法。主要研究内容有:（1）外肌腱作用下的人体下肢内部肌肉代偿策略。利用下肢肌肉骨骼系统计算机建模与仿真的方法,结合弹性外肌腱高效的储能特性,建立单关节外肌腱-下肢肌骨系统模型和多关节外肌腱-下肢肌骨系统模型,通过Open Sim仿真手段,发现了人体下肢在外肌腱辅助下肌群之间独特的代偿性激活策略。（2）下肢多关节弹性外肌腱有效辅助的嵌入原理。从人体行走过程以及下肢三个关节行走运动学规律出发,分析髋关节与膝关节的解剖学特性以及肌肉生物力学特性,根据行走过程中髋关节与膝关节的力位协同规律,结合下肢肌肉代偿策略,确定了能降低肌群激活程度、减少肢体代谢能消耗的多关节外肌腱嵌入人体下肢的最佳储能相位和释能相位,为基于弹性外肌腱的下肢多关节被动外骨骼装置的设计提供了理论依据。（3）下肢多关节被动外骨骼装置的设计。根据弹性外肌腱储能与释能相位的设计要求,设计了由关节角度诱发弹性外肌腱储能与释能的纯机械调控机构,基于外骨骼装置的受力情况、人体表面组织形态、穿戴舒适度、约束实现方式等多方面因素,设计外骨骼装置的穿戴式结构,进而形成了多关节被动外骨骼装置的设计原理。（4）外骨骼装置辅助效果的综合评估。根据人机交互适应过程、个体差异、装置最佳辅助效果等因素科学地设计实验范式,并利用多种运动解析设备采集穿戴者的代谢能消耗、肌肉电信号、运动学规律以及装置辅助力矩等数据,以综合评估装置的辅助效果,并对本文所提出的理论进行验证。

关键词：被动外骨骼;直立行走;多关节;肌肉骨骼系统仿真;代谢能

学科专业：机械工程

摘要

Abstract

1 绪论

1.1 课题来源

1.2 课题研究背景、目的及意义

1.3 被动外骨骼国内外研究现状

1.4 研究内容与框架结构

2 下肢多关节系统建模与仿真

2.1 人体肌骨系统建模仿真软件

2.2 弹性外肌腱的应用原理

2.3 单关节外肌腱-下肢肌骨系统建模仿真

2.4 多关节外肌腱-下肢肌骨系统建模仿真

2.5 本章小结

3 下肢多关节弹性外肌腱嵌入机理

3.1 下肢肌肉骨骼系统协同机理

3.2 髋关节的生物力学特性

3.3 膝关节的生物力学特性

3.4 下肢多关节弹性外肌腱的嵌入

3.5 本章小结

4 下肢多关节被动外骨骼装置设计

4.1 外骨骼装置支架设计

4.2 外骨骼装置力臂设计

4.3 外部调控机构设计

4.4 零件选材与样机加工

4.5 本章小结

5 外骨骼辅助效果验证

5.1 实验范式设计

5.2 搭建实验平台

5.3 实验结果与分析

5.4 本章小结

6 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 研究展望

致谢

参考文献