本發(fā)明屬于外骨骼醫(yī)療器械，具體涉及一種基于曲梁的剛?cè)峄旌舷リP(guān)節(jié)外骨骼的設(shè)計方法。

背景技術(shù)：

1、外骨骼機器人能夠顯著提高人體的肢體功能，改善身體機能衰退人群的運動能力和生活品質(zhì)。關(guān)于膝關(guān)節(jié)的外骨骼機器人，包括剛性膝外骨骼和柔性膝外骨骼。

2、剛性膝外骨骼為肢體提供“剛性”支撐，剛性膝外骨骼有兩種實現(xiàn)方案，一種是用直線串聯(lián)彈性驅(qū)動器(sea)對髖關(guān)節(jié)屈/伸自由度驅(qū)動，sea的直線運動通過連桿轉(zhuǎn)換為髖關(guān)節(jié)的屈/伸運動；另一種是在髖關(guān)節(jié)的伸展自由度上用離合彈簧，髖關(guān)節(jié)的伸展時接合彈簧提供彈力，屈曲時彈簧分離使其自由。

3、柔性膝外骨骼，滿足關(guān)節(jié)自由活動的“柔性”要求，其設(shè)計理念具有劃時代的意義。柔性膝外骨骼的典型代表是wyss研究所做出的soft?exosuit，通過在人體中剛性較大適合受力的部位設(shè)置錨點，然后使用柔性材料設(shè)計出傳力路徑，將驅(qū)動器的驅(qū)動力傳遞到錨點處，就可以實現(xiàn)柔性綁縛的同時傳遞助力力矩。但是，柔性膝外骨骼仍舊存在不少的問題，比如時間序列控制方案不盡人意，穿戴不舒適。

4、鑒于剛性膝外骨骼和柔性膝外骨骼都具有其自身優(yōu)勢與缺陷，因此設(shè)計一款基于曲梁的剛?cè)峄旌舷リP(guān)節(jié)外骨骼。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種基于曲梁的剛?cè)峄旌舷リP(guān)節(jié)外骨骼的設(shè)計方法，其結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計合理，利用曲梁形變使該外骨骼在兼顧柔順性的同時具有一定的支撐性，在膝關(guān)節(jié)外骨骼設(shè)計中，基于靜力學(xué)分析確定曲梁半徑，基于遺傳算法確定其他幾何參數(shù)，從而選取了最適于膝關(guān)節(jié)力學(xué)特性的曲梁參數(shù)。

2、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：基于曲梁的剛?cè)峄旌舷リP(guān)節(jié)外骨骼的設(shè)計方法，其特征在于：包括以下步驟：

3、步驟1、設(shè)計基于曲梁的膝關(guān)節(jié)外骨骼結(jié)構(gòu)，用于模擬股四肌驅(qū)動下肢的運動，膝關(guān)節(jié)外骨骼結(jié)構(gòu)包括小腿夾具、大腿夾具、膝關(guān)節(jié)夾具、線性彈性驅(qū)動器和曲梁結(jié)構(gòu)；

4、步驟2、定義基于曲梁的膝關(guān)節(jié)外骨骼結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)；

5、步驟3、基于遺傳算法對基于曲梁的膝關(guān)節(jié)外骨骼結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)進行優(yōu)化；

6、步驟4、基于優(yōu)化結(jié)果，利用繪圖軟件繪制基于曲梁的膝關(guān)節(jié)外骨骼結(jié)構(gòu)的分析模型；

7、步驟5、運用ansys軟件，對分析模型連續(xù)持續(xù)運動的過程，進行數(shù)值模擬，輸出在曲梁長度l不同的情況下，分析模型的靜力學(xué)分析結(jié)果；

8、步驟6、根據(jù)靜力學(xué)分析結(jié)果，計算剛度，繪制剛度曲線，根據(jù)剛度曲線選取曲梁長度。

9、上述的基于曲梁的剛?cè)峄旌舷リP(guān)節(jié)外骨骼的設(shè)計方法，其特征在于：步驟3的具體方法包括：

10、步驟301，將線性彈性驅(qū)動器長度變化量δv、膝關(guān)節(jié)夾具上的擺臂長度n、曲梁所受牽引力t作為優(yōu)化參數(shù)進行編碼，隨機生成一組模型個體，每個模型個體包含一組δv、n、t以及等其他部件參數(shù)的值；

11、步驟302，計算每個模型個體的適應(yīng)度值；

12、步驟303，根據(jù)適應(yīng)度值選擇出優(yōu)秀個體；

13、步驟304，對選擇出的優(yōu)秀個體進行交叉，生成新個體；

14、步驟305，對新個體進行變異，生成變異個體；增加種群的多樣性；

15、步驟306，將新個體和變異個體組成新一代種群，重復(fù)迭代步驟302-步驟305，直到滿足終止條件。

16、上述的基于曲梁的剛?cè)峄旌舷リP(guān)節(jié)外骨骼的設(shè)計方法，其特征在于：基于遺傳算法對基于曲梁的膝關(guān)節(jié)外骨骼結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)進行優(yōu)化的方法中，約束條件為：0≤δv<100mm；0<n<80mm；0<m<250mm；0<z<100mm。

17、上述的基于曲梁的剛?cè)峄旌舷リP(guān)節(jié)外骨骼的設(shè)計方法，其特征在于：基于遺傳算法對基于曲梁的膝關(guān)節(jié)外骨骼結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)進行優(yōu)化的方法中，終止條件為達到最大迭代次數(shù)或適應(yīng)度達到預(yù)定目標。

18、上述的基于曲梁的剛?cè)峄旌舷リP(guān)節(jié)外骨骼的設(shè)計方法，其特征在于：定義基于曲梁的膝關(guān)節(jié)外骨骼結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)的方法包括：基于曲梁的膝關(guān)節(jié)外骨骼結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)包括大腿夾具與膝關(guān)節(jié)夾具之間的距離m，膝關(guān)節(jié)夾具上擺臂長度n，大腿夾具與線性彈性驅(qū)動器的距離z，線性彈性驅(qū)動器的長度v；曲梁結(jié)構(gòu)的參數(shù)包括曲梁厚度h，曲梁寬度d，曲梁空間位置寬度l1和曲梁空間位置長度l2，曲梁長度l，曲梁半徑r。

19、上述的基于曲梁的剛?cè)峄旌舷リP(guān)節(jié)外骨骼的設(shè)計方法，其特征在于：步驟5中，數(shù)值模擬過程中，在小腿夾具面向人體的曲面處添加固定約束，在曲梁上端施加線性位移。

20、上述的基于曲梁的剛?cè)峄旌舷リP(guān)節(jié)外骨骼的設(shè)計方法，其特征在于：步驟5中，數(shù)值模擬過程中，根據(jù)人體的幾何尺寸和關(guān)節(jié)所需剛度范圍，確定模型的邊界條件。

21、上述的基于曲梁的剛?cè)峄旌舷リP(guān)節(jié)外骨骼的設(shè)計方法，其特征在于：步驟6中，剛度根據(jù)公式計算，其中fn表示第n次的曲梁應(yīng)力，fn-1表示第n-1次的曲梁應(yīng)力，xn表示第n次的曲梁形變，xn-1表示第n-1次的曲梁形變。

22、上述的基于曲梁的剛?cè)峄旌舷リP(guān)節(jié)外骨骼的設(shè)計方法，其特征在于：線性彈性驅(qū)動器包括電機、絲杠和導(dǎo)軌座，導(dǎo)軌座包括方形導(dǎo)軌和設(shè)置在方形導(dǎo)軌兩側(cè)的第一擋板和第二擋板，絲杠的一端伸出第一擋板、穿過電機的螺母，并伸出電機，與曲梁和擺臂的連接端相接，螺母與絲杠相適應(yīng)，曲梁與小腿夾具相接，擺臂與膝關(guān)節(jié)夾具相接；絲桿上套設(shè)有滑塊，絲杠的另一端伸出第二擋板與方形螺母固定連接；第一彈簧設(shè)置在第一擋板和滑塊之間，第二彈簧設(shè)置在滑塊和第二擋板之間，滑塊與大腿夾具連接。

23、上述的基于曲梁的剛?cè)峄旌舷リP(guān)節(jié)外骨骼的設(shè)計方法，其特征在于：曲梁的數(shù)量為2個。

24、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點：

25、1、本發(fā)明的結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計合理，實現(xiàn)及使用操作方便。

26、2、本發(fā)明利用曲梁形變使該外骨骼在兼顧柔順性的同時具有一定的支撐性，更好的滿足膝關(guān)節(jié)的運動規(guī)律，提高了人體佩戴時的運動靈活性與舒適性。

27、3、本發(fā)明在膝關(guān)節(jié)外骨骼設(shè)計中，基于靜力學(xué)分析確定曲梁半徑，基于遺傳算法確定其他幾何參數(shù)，從而選取了最適于膝關(guān)節(jié)力學(xué)特性的曲梁參數(shù)，在抑制振動沖擊的同時為關(guān)節(jié)提供合理的支撐。

28、綜上所述，本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計合理，利用曲梁形變使該外骨骼在兼顧柔順性的同時具有一定的支撐性，在膝關(guān)節(jié)外骨骼設(shè)計中，基于靜力學(xué)分析確定曲梁半徑，基于遺傳算法確定其他幾何參數(shù)，從而選取了最適于膝關(guān)節(jié)力學(xué)特性的曲梁參數(shù)。

29、下面通過附圖和實施例，對本發(fā)明的技術(shù)方案做進一步的詳細描述。

技術(shù)特征：

1.基于曲梁的剛?cè)峄旌舷リP(guān)節(jié)外骨骼的設(shè)計方法，其特征在于：包括以下步驟：

2.按照權(quán)利要求1所述的基于曲梁的剛?cè)峄旌舷リP(guān)節(jié)外骨骼的設(shè)計方法，其特征在于：步驟3的具體方法包括：

3.按照權(quán)利要求2所述的基于曲梁的剛?cè)峄旌舷リP(guān)節(jié)外骨骼的設(shè)計方法，其特征在于：基于遺傳算法對基于曲梁的膝關(guān)節(jié)外骨骼結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)進行優(yōu)化的方法中，約束條件為：0≤δv<100mm；0<n<80mm；0<m<250mm；0<z<100mm。

4.按照權(quán)利要求2所述的基于曲梁的剛?cè)峄旌舷リP(guān)節(jié)外骨骼的設(shè)計方法，其特征在于：基于遺傳算法對基于曲梁的膝關(guān)節(jié)外骨骼結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)進行優(yōu)化的方法中，終止條件為達到最大迭代次數(shù)或適應(yīng)度達到預(yù)定目標。

5.按照權(quán)利要求1所述的基于曲梁的剛?cè)峄旌舷リP(guān)節(jié)外骨骼的設(shè)計方法，其特征在于：定義基于曲梁的膝關(guān)節(jié)外骨骼結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)的方法包括：基于曲梁的膝關(guān)節(jié)外骨骼結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)包括大腿夾具與膝關(guān)節(jié)夾具之間的距離m，膝關(guān)節(jié)夾具上擺臂長度n，大腿夾具與線性彈性驅(qū)動器的距離z，線性彈性驅(qū)動器的長度v；曲梁結(jié)構(gòu)的參數(shù)包括曲梁厚度h，曲梁寬度d，曲梁空間位置寬度l1和曲梁空間位置長度l2，曲梁長度l，曲梁半徑r。

6.按照權(quán)利要求1所述的基于曲梁的剛?cè)峄旌舷リP(guān)節(jié)外骨骼的設(shè)計方法，其特征在于：步驟5中，數(shù)值模擬過程中，在小腿夾具面向人體的曲面處添加固定約束，在曲梁上端施加線性位移。

7.按照權(quán)利要求1所述的基于曲梁的剛?cè)峄旌舷リP(guān)節(jié)外骨骼的設(shè)計方法，其特征在于：步驟5中，數(shù)值模擬過程中，根據(jù)人體的幾何尺寸和關(guān)節(jié)所需剛度范圍，確定模型的邊界條件。

8.按照權(quán)利要求1所述的基于曲梁的剛?cè)峄旌舷リP(guān)節(jié)外骨骼的設(shè)計方法，其特征在于：步驟6中，剛度根據(jù)公式計算，其中fn表示第n次的曲梁應(yīng)力，fn-1表示第n-1次的曲梁應(yīng)力，xn表示第n次的曲梁形變，xn-1表示第n-1次的曲梁形變。

9.按照權(quán)利要求1所述的基于曲梁的剛?cè)峄旌舷リP(guān)節(jié)外骨骼的設(shè)計方法，其特征在于：線性彈性驅(qū)動器包括電機、絲杠和導(dǎo)軌座，導(dǎo)軌座包括方形導(dǎo)軌和設(shè)置在方形導(dǎo)軌兩側(cè)的第一擋板和第二擋板，絲杠的一端伸出第一擋板、穿過電機的螺母，并伸出電機，與曲梁和擺臂的連接端相接，螺母與絲杠相適應(yīng)，曲梁與小腿夾具相接，擺臂與膝關(guān)節(jié)夾具相接；絲桿上套設(shè)有滑塊，絲杠的另一端伸出第二擋板與方形螺母固定連接；第一彈簧設(shè)置在第一擋板和滑塊之間，第二彈簧設(shè)置在滑塊和第二擋板之間，滑塊與大腿夾具連接。

10.按照權(quán)利要求9所述的基于曲梁的剛?cè)峄旌舷リP(guān)節(jié)外骨骼的設(shè)計方法，其特征在于：曲梁的數(shù)量為2個。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了基于曲梁的剛?cè)峄旌舷リP(guān)節(jié)外骨骼的設(shè)計方法，包括：步驟1，設(shè)計基于曲梁的膝關(guān)定義基于曲梁的膝關(guān)節(jié)外骨骼結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)；步驟3、基于遺傳算法對基于曲梁的膝關(guān)節(jié)外骨骼結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)進行優(yōu)化；步驟4，基于優(yōu)化結(jié)果，利用繪圖軟件繪制基于曲梁的膝關(guān)節(jié)外骨骼結(jié)構(gòu)的分析模型；步驟5，運用Ansys軟件，對分析模型連續(xù)持續(xù)運動的過程，進行數(shù)值模擬，分析模型的靜力學(xué)分析結(jié)果；步驟6，根據(jù)剛度曲線選取曲梁長度。本發(fā)明利用曲梁形變使該外骨骼在兼顧柔順性的同時具有一定的支撐性，在膝關(guān)節(jié)外骨骼設(shè)計中，基于靜力學(xué)分析確定曲梁半徑，基于遺傳算法確定其他幾何參數(shù)，從而選取了最適于膝關(guān)節(jié)力學(xué)特性的曲梁參數(shù)。

技術(shù)研發(fā)人員：葛文杰,金石開,劉斌,趙東來,李玉柱,王卓
受保護的技術(shù)使用者：西北工業(yè)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/10/21