下肢外骨骼人机耦合交互力特性分析

作者：周泽世; 朱钧; 朱云超; 张鑫彬; 陈文明^*; 马昕^*

来源：医用生物力学, 2022, 37(02): 305-311.

DOI：10.16156/j.1004-7220.2022.02.018

• 下肢外骨骼
• 耦合仿真
• 步态

目的 提出一种基于虚拟肌肉的人机耦合动力学建模方法，对穿戴外骨骼步行过程的人机交互力及穿戴者肌骨系统的肌肉激活情况等特征进行量化分析。方法 首先在穿戴外骨骼的步态实验中，利用人体动作捕捉系统和自行开发的力学监测装置，同步获取穿戴者步行动力学、肌电信号、外骨骼驱动状态及局部的法向人机交互力信息；然后，在肌骨系统建模环境中建立人机耦合模型，并以步态实验数据和外骨骼关节扭矩作为耦合模型的驱动信息，进行逆动力学计算；最后，对模型的仿真数据与实验测试结果进行对比，量化评估下肢外骨骼人机耦合模型的有效性。结果 耦合模型逆动力学计算的法向交互力以及下肢肌肉激活情况与步态实验测量结果相比，在响应曲线趋势上均具有良好一致性，其中交互力结果具有高程度的相关性(r=0.931,P<0.01),均方根误差较小，下肢肌肉激活程度峰值误差均小于5%。结论 本文提出的人机耦合模型可有效计算人与外骨骼交互力。该耦合模型的建立为以后外骨骼结构优化与控制算法的验证与迭代，以及外骨骼助行助力功效的性能评估提供理论依据。

• 单位
  复旦大学附属华山医院; 上海航天控制技术研究所; 复旦大学