基于曲梁的剛柔混合膝關節外骨骼的設計方法

本發明屬于外骨骼醫療器械，具體涉及一種基于曲梁的剛柔混合膝關節外骨骼的設計方法。

背景技術：

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。關于膝關節的外骨骼機器人，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方案，一種是用直線串聯彈性驅動器(sea)對髖關節屈/伸自由度驅動，sea的直線運動通過連桿轉換為髖關節的屈/伸運動；另一種是在髖關節的伸展自由度上用離合彈簧，髖關節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，滿足關節自由活動的“柔性”要求，其設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置錨點，然后使用柔性材料設計出傳力路徑，將驅動器的驅動力傳遞到錨點處，就可以實現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勢與缺陷，因此設計一款基于曲梁的剛柔混合膝關節外骨骼。

技術實現思路

1、本發明所要解決的技術問題在于針對上述現有技術中的不足，提供一種基于曲梁的剛柔混合膝關節外骨骼的設計方法，其結構簡單、設計合理，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，在膝關節外骨骼設計中，基于靜力學分析確定曲梁半徑，基于遺傳算法確定其他幾何參數，從而選取了最適于膝關節力學特性的曲梁參數。

2、為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案是：基于曲梁的剛柔混合膝關節外骨骼的設計方法，其特征在于：包括以下步驟：

3、步驟1、設計基于曲梁的膝關節外骨骼結構，用于模擬股四肌驅動下肢的運動，膝關節外骨骼結構包括小腿夾具、大腿夾具、膝關節夾具、線性彈性驅動器和曲梁結構；

4、步驟2、定義基于曲梁的膝關節外骨骼結構的幾何參數；

5、步驟3、基于遺傳算法對基于曲梁的膝關節外骨骼結構的幾何參數進行優化；

6、步驟4、基于優化結果，利用繪圖軟件繪制基于曲梁的膝關節外骨骼結構的分析模型；

7、步驟5、運用ansys軟件，對分析模型連續持續運動的過程，進行數值模擬，輸出在曲梁長度l不同的情況下，分析模型的靜力學分析結果；

8、步驟6、根據靜力學分析結果，計算剛度，繪制剛度曲線，根據剛度曲線選取曲梁長度。

9、上述的基于曲梁的剛柔混合膝關節外骨骼的設計方法，其特征在于：步驟3的具體方法包括：

10、步驟301，將線性彈性驅動器長度變化量δv、膝關節夾具上的擺臂長度n、曲梁所受牽引力t作為優化參數進行編碼，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的值；

11、步驟302，計算每個模型個體的適應度值；

12、步驟303，根據適應度值選擇出優秀個體；

13、步驟304，對選擇出的優秀個體進行交叉，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柔混合膝關節外骨骼的設計方法，其特征在于：基于遺傳算法對基于曲梁的膝關節外骨骼結構的幾何參數進行優化的方法中，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柔混合膝關節外骨骼的設計方法，其特征在于：基于遺傳算法對基于曲梁的膝關節外骨骼結構的幾何參數進行優化的方法中，終止條件為達到最大迭代次數或適應度達到預定目標。

18、上述的基于曲梁的剛柔混合膝關節外骨骼的設計方法，其特征在于：定義基于曲梁的膝關節外骨骼結構的幾何參數的方法包括：基于曲梁的膝關節外骨骼結構的幾何參數包括大腿夾具與膝關節夾具之間的距離m，膝關節夾具上擺臂長度n，大腿夾具與線性彈性驅動器的距離z，線性彈性驅動器的長度v；曲梁結構的參數包括曲梁厚度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柔混合膝關節外骨骼的設計方法，其特征在于：步驟5中，數值模擬過程中，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柔混合膝關節外骨骼的設計方法，其特征在于：步驟5中，數值模擬過程中，根據人體的幾何尺寸和關節所需剛度范圍，確定模型的邊界條件。

21、上述的基于曲梁的剛柔混合膝關節外骨骼的設計方法，其特征在于：步驟6中，剛度根據公式計算，其中fn表示第n次的曲梁應力，fn-1表示第n-1次的曲梁應力，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柔混合膝關節外骨骼的設計方法，其特征在于：線性彈性驅動器包括電機、絲杠和導軌座，導軌座包括方形導軌和設置在方形導軌兩側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，曲梁與小腿夾具相接，擺臂與膝關節夾具相接；絲桿上套設有滑塊，絲杠的另一端伸出第二擋板與方形螺母固定連接；第一彈簧設置在第一擋板和滑塊之間，第二彈簧設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柔混合膝關節外骨骼的設計方法，其特征在于：曲梁的數量為2個。

24、本發明與現有技術相比具有以下優點：

25、1、本發明的結構簡單、設計合理，實現及使用操作方便。

26、2、本發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，更好的滿足膝關節的運動規律，提高了人體佩戴時的運動靈活性與舒適性。

27、3、本發明在膝關節外骨骼設計中，基于靜力學分析確定曲梁半徑，基于遺傳算法確定其他幾何參數，從而選取了最適于膝關節力學特性的曲梁參數，在抑制振動沖擊的同時為關節提供合理的支撐。

28、綜上所述，本發明結構簡單、設計合理，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，在膝關節外骨骼設計中，基于靜力學分析確定曲梁半徑，基于遺傳算法確定其他幾何參數，從而選取了最適于膝關節力學特性的曲梁參數。

29、下面通過附圖和實施例，對本發明的技術方案做進一步的詳細描述。

技術特征：

1.基于曲梁的剛柔混合膝關節外骨骼的設計方法，其特征在于：包括以下步驟：

2.按照權利要求1所述的基于曲梁的剛柔混合膝關節外骨骼的設計方法，其特征在于：步驟3的具體方法包括：

3.按照權利要求2所述的基于曲梁的剛柔混合膝關節外骨骼的設計方法，其特征在于：基于遺傳算法對基于曲梁的膝關節外骨骼結構的幾何參數進行優化的方法中，約束條件為：0≤δv<100mm；0<n<80mm；0<m<250mm；0<z<100mm。

4.按照權利要求2所述的基于曲梁的剛柔混合膝關節外骨骼的設計方法，其特征在于：基于遺傳算法對基于曲梁的膝關節外骨骼結構的幾何參數進行優化的方法中，終止條件為達到最大迭代次數或適應度達到預定目標。

5.按照權利要求1所述的基于曲梁的剛柔混合膝關節外骨骼的設計方法，其特征在于：定義基于曲梁的膝關節外骨骼結構的幾何參數的方法包括：基于曲梁的膝關節外骨骼結構的幾何參數包括大腿夾具與膝關節夾具之間的距離m，膝關節夾具上擺臂長度n，大腿夾具與線性彈性驅動器的距離z，線性彈性驅動器的長度v；曲梁結構的參數包括曲梁厚度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.按照權利要求1所述的基于曲梁的剛柔混合膝關節外骨骼的設計方法，其特征在于：步驟5中，數值模擬過程中，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.按照權利要求1所述的基于曲梁的剛柔混合膝關節外骨骼的設計方法，其特征在于：步驟5中，數值模擬過程中，根據人體的幾何尺寸和關節所需剛度范圍，確定模型的邊界條件。

8.按照權利要求1所述的基于曲梁的剛柔混合膝關節外骨骼的設計方法，其特征在于：步驟6中，剛度根據公式計算，其中fn表示第n次的曲梁應力，fn-1表示第n-1次的曲梁應力，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.按照權利要求1所述的基于曲梁的剛柔混合膝關節外骨骼的設計方法，其特征在于：線性彈性驅動器包括電機、絲杠和導軌座，導軌座包括方形導軌和設置在方形導軌兩側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，曲梁與小腿夾具相接，擺臂與膝關節夾具相接；絲桿上套設有滑塊，絲杠的另一端伸出第二擋板與方形螺母固定連接；第一彈簧設置在第一擋板和滑塊之間，第二彈簧設置在滑塊和第二擋板之間，滑塊與大腿夾具連接。

10.按照權利要求9所述的基于曲梁的剛柔混合膝關節外骨骼的設計方法，其特征在于：曲梁的數量為2個。

技術總結
本發明公開了基于曲梁的剛柔混合膝關節外骨骼的設計方法，包括：步驟1，設計基于曲梁的膝關定義基于曲梁的膝關節外骨骼結構的幾何參數；步驟3、基于遺傳算法對基于曲梁的膝關節外骨骼結構的幾何參數進行優化；步驟4，基于優化結果，利用繪圖軟件繪制基于曲梁的膝關節外骨骼結構的分析模型；步驟5，運用Ansys軟件，對分析模型連續持續運動的過程，進行數值模擬，分析模型的靜力學分析結果；步驟6，根據剛度曲線選取曲梁長度。本發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，在膝關節外骨骼設計中，基于靜力學分析確定曲梁半徑，基于遺傳算法確定其他幾何參數，從而選取了最適于膝關節力學特性的曲梁參數。

技術研發人員：葛文杰,金石開,劉斌,趙東來,李玉柱,王卓
受保護的技術使用者：西北工業大學
技術研發日：
技術公布日：2024/10/21