基于柔性传感器的膝关节共轭曲面测量

发布时间：2024-06-28 23:48

　　在外骨骼研究中,机器和人体的耦合运动匹配是结构设计的重要要求。如果二者运动产生干涉或者阻碍,穿戴者的关节将受到伤害。因此,了解运动过程中的生物关节共轭曲面是设计与人体协调运动的外骨骼机器人的基础。但是生物关节表面是非线性曲面,关节运动十分复杂,其转动中心不断变化,给关节共轭曲面的测量带来了挑战。本文以膝关节为研究对象,把膝关节共轭曲面的数学描述等效成胫骨端和股骨端的相对运动,提出了一种等效膝关节共轭曲面的测量方法。基本思路是通过检测随关节运动的柔性外骨骼变形,反演胫骨和股骨的相对运动,重构等效的关节共轭曲面。本文基于柔性梁三维大变形模型,推导得到了柔性梁应变-曲率-变形之间的关系。结合模态叠加原理,基于有限测点的应变信息求解关节运动状态。并设计了一款内嵌应变传感器的柔性外骨骼。通过ABAQUS仿真,验证了柔性梁变形理论模型的准确性。通过实验标定了传感器的静态和动态测量误差,结果表明传感器在静态和动态过程中具有较高的测量精度,测量结果能够较好地反映膝关节的运动状态,验证了该方法对关节共轭曲面测量的可行性。最后,在实验者坐姿状态下,利用柔性外骨骼检测膝关节自由屈伸运动,重构了非负重情况下的...

【文章页数】：64 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

图1-1不同用途的外骨骼设计

图1-1不同用途的外骨骼设计膝关节共轭曲面测量发展需求外骨骼的设计中，外骨骼与人体的结构匹配和运动匹配是其正常工作的一个重要要求。在运动过程中，外骨骼的关节运动和自由度分布与人体关节运动及自由度分布必须保持高度一致或者柔性耦合，如果在运动过程中，二者运动发生干涉，甚至阻碍运动....

图1-1膝关节关节运动模型

状面内还会发生平移运动。根据人体膝关节的核磁共振图像，H.Iwaki和M.A.RFreeman[19]等人均提出了双圆心模型，将膝关节接触处股骨形状建模成不同圆心不同半径的两个圆面部分的拼接，将胫骨形状建模成一段折线，利用两者的配合来模拟膝关节的运动副。Kok-MengLe....

图2-1膝关节解剖结构

2膝关节等效共轭运动曲面面的准确测量是设计下肢外骨骼的基础。膝关节共精确程度决定了外骨骼与人体的协调程度。同时，不需要的传感器以及需要测量的模型参数也不同。因型是进行下肢外骨骼关节运动副设计的关键，并且种新的膝关节等效共轭曲面的建模思想，并基于此关节相对运动描述的参数。讨论膝关....

图2-2膝关节相对运动模型

分析运动十分复杂。由膝关节的核磁共振图完全复制其轮廓和运动几乎不可能。因十分复杂不易进行。膝关节共轭曲面近似，通过几何近似推导关节的动力学及双椭圆模型等。计过程中，膝关节共轭曲面测量建模胫骨和股骨形状的几何近似。即可以建膝关节运动的外部表现，而膝关节的关节等效共轭曲线模型，根据测....

本文编号：3996843