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骨骼肌基于分子马达骨骼肌生物力学原理与其在外骨骼机器人人机力交互中运用查抄袭率

收藏本文 2024-01-05 点赞:15485 浏览:54068 作者:网友投稿原创标记本站原创

摘要:外骨骼机器人是一种穿戴式具有防护、助力和助行等功能的机器人,在军事、康复医疗等领域有着巨大的运用价值和广阔的市场前景,也是国内外竞相探讨的热点。随着我国经济的快速进展,人们对生活质量和生命健康更加关注和重视。与此同时,人口老龄化及肢残人的增加也带来了重大社会不足,对智能型外骨骼康复机器人有着广泛需求。但是,由于有着可穿戴性、高可靠性、人机交互、智能制约等技术难点,真正走向临床运用的外骨骼机器人仍不多见,高性能的人机交互接口及交互技术成为制约其运用的瓶颈不足之一,而其中与外骨骼人机力交互技术密切相关的人机力交互机理,特别是骨骼肌收缩生物力学原理非常值得深入探讨。本论文以实现对人体下肢主动康复训练为目标,开发出下肢外骨骼机器人,通过浅析骨骼肌中分子马达的纳米力学特性及运转机制,探讨骨骼肌生物力学原理,以微观到宏观构建基于分子马达集体运转机制的骨骼肌力学模型,并设计基于EMG信号、接触力信号的人机交互接口,探讨人与外骨骼之间力交互机理,制订外骨骼机器人制约对策,开展了人机力交互及机器人制约实验探讨。本论文的主要工作及取得的成果可以归纳为以下一些:一、以肌球蛋白分子马达为对象,浅析分子马达的纳米力学特性及运转机制。针对分子马达的循环工作历程,探讨了分子马达在van der Waals力、Casimir力、静电力及布朗力等耦合作用下向肌动蛋白丝接近并结合的运动规律,建立了分子马达循环历程的动力学模型,通过Monte Carlo策略对分子马达的运动历程模拟发现,接近历程中当分子马达与细肌丝表面距离大于3nm时,起主要作用的力为Casimir力和静电力;当距离小于3nm时,van der Waals力和静电力使分子马达向细肌丝轨道快速接近,比较这几个力的影响可知,接近历程中静电引力占主导,并由此阐明了分子马达开始运转并使肌肉收缩的力学机理,剖析了钙离子在肌肉收缩中的关键作用,同时浅析了分子马达所处空间势场对肌纤维结构稳定性的影响。二、通过浅析分子马达集体运转特性,利用非平衡态统计力学策略以微观到宏观构建了新的骨骼肌力学模型。首先探讨分子马达的集体运转机制,为了反映分子马达一个循环周期的N个状态,构建位移变量概率密度的Fokker-Planck方程,并考虑肌小节空间结构特点、分子马达弹性系数、肌小节横截面积等因素,推导出肌小节主动收缩力学模型,通过计算位移变量的概率密度分布,浅析了ATP浓度、负载力对主动收缩力及收缩速度的影响。进一步地,针对骨骼肌激活与收缩历程,建立动作电位频率与肌小节收缩力之间稳态联系,考虑肌小节的串并联作用,最终以微观到宏观建立基于分子马达集体运转机制的骨骼肌力学模型。计算表明,随着动作电位频率的增加,肌浆中钙离子浓度先线性上升并逐渐趋于饱和,主动收缩力出现融合并跟随钙离子浓度变化走势,当动作电位处于最大频率时肌肉强直收缩,在ATP浓度饱和情况下,肌肉最大等长收缩力主要取决于分子马达数目、弹性系数、肌肉横截面积等物理参数,由于动作电位的叠加形成EMG信号,由此为开展EMG信号特点与肌肉力之间联系探讨奠定了论述基础。三、针对人体下肢关节运动范围大、自由度多、关节力矩大等运动特点,以仿生学角度设计实现了多功能下肢外骨骼机器人,开发出并联关节式外骨骼踝关节。外骨骼机器人系统结构紧凑,膝关节转动范围0~110度、髋关节-25~55度,能满足人体步行要求,并联踝关节能实现人体踝关节背屈/跖屈、内翻/外翻两个自由度运动,外骨骼机器人适合身高在155cm~190cm的人利用,并可主动调整人体重心轨迹使之符合上下波动的特点,系统有较高的稳定性和可靠性。同时开发了基于EMG信号、力触觉信号的人机交互接口,包括传感单元(EMG信号采集仪、交互力传感器)、数据采集及处理单元,重点开展了人与外骨骼之间力交互机理探讨,建立了外骨骼机器人的动力学模型,并以人体膝关节为对象,利用大腿骨胳肌肉系统进行了人体膝关节正向/逆向动力学建模,构建EMG信号特点频率与肌肉收缩力、关节力矩之间函数联系。四、开展了人机力交互实验及人机接口在外骨骼机器人主动制约中运用。首先,改善了外骨骼机器人制约系统并制定了满足不同康复训练要求的外骨骼制约对策;其次,进行了人机力交互实验,通过采集大腿肌肉EMG信号、人与外骨骼交互力,利用EMG信号表征肌肉激活程度,根据肌肉力学模型计算肌肉收缩力和关节力矩,比较肌肉主动力矩与外骨骼对人的反作用力矩,实验结果表明两者之间吻合较好,证明了所构建肌肉力学模型的合理性;最后,根据外骨骼机器人制约对策,对人体进行了被动与主动训练,其中被动方式是按照设定的步态及角度信息完成了对人体下肢训练,主动方式是结合人机交互接口,采集肌肉的EMG信号,利用肌肉力学模型预测关节运动所需力矩,识别人体运动意图,根据预测信息完成了对外骨骼机器人的智能制约,实现了按照人体意图的主动助力训练。关键词:外骨骼机器人论文骨骼肌论文分子马达论文骨骼肌力学模型论文人机交互接口论文力交互机理论文智能制约论文

    摘要3-5

    Abstract5-8

    目录8-11

    第一章 绪论11-34

    1.1 课题来源与课题背景11-13

    1.1.1 课题来源11

    1.1.2 课题背景11-13

    1.2 外骨骼机器人探讨近况及关键技术综述13-21

    1.2.1 外骨骼机器人进展近况13-17

    1.2.2 外骨骼机器人本体结构设计17-19

    1.2.3 外骨骼机器人人机交互技术19-21

    1.3 骨骼肌生物力学原理探讨近况21-31

    1.3.1 骨骼肌基本结构组成21-22

    1.3.2 骨骼肌生物力学模型探讨近况22-24

    1.3.3 骨骼肌收缩微观力学原理探讨近况24-29

    1.3.4 骨骼肌生物力学模型实验验证29-31

    1.4 探讨内容与作用31-34

    1.4.1 探讨目的与作用31-32

    1.4.2 论文章节安排32-34

    第二章 分子马达纳米力学特性及运转机制浅析34-54

    2.1 引言34

    2.2 分子马达运动的力学基础34-40

    2.2.1 分子马达运动的作用力34-38

    2.2.2 分子马达运动的动力学基础38-40

    2.3 肌球蛋白马达接近历程中受力浅析40-49

    2.3.1 影响因素41

    2.3.2 接近历程中的作用力41-44

    2.3.3 主要作用力计算44-47

    2.3.4 分子马达的空间势场47-49

    2.4 分子马达循环工作历程动态模拟49-53

    2.4.1 分子马达动力学历程建模49-51

    2.4.2 动力学历程 Monte Carlo 模拟51-53

    2.5 本章小结53-54

    第三章 基于分子马达集体运转机制的骨骼肌收缩力学原理54-83

    3.1 引言54-55

    3.2 骨骼肌收缩历程描述55-56

    3.3 分子马达集体运转特性浅析56-69

    3.3.1 分子马达集体运转特性建模57-60

    3.3.2 概率密度速率方程简化60-64

    3.3.3 数值计算与结果讨论64-69

    3.4 骨骼肌动态力学模型构建69-81

    3.4.1 肌小节激活历程建模69-70

    3.4.2 肌小节收缩历程建模70-72

    3.4.3 肌小节串联与并联作用72-73

    3.4.4 骨骼肌宏观力学模型73-76

    3.4.5 数值计算与结果讨论76-81

    3.5 本章小结81-83

    第四章 外骨骼机器人设计及人机力交互机理浅析83-110

    4.1 引言83-84

    4.2 外骨骼机器人本体仿生设计84-89

    4.2.1 外骨骼机器人设计要点84

    4.2.2 外骨骼机器人构型设计84-85

    4.2.3 外骨骼机器人机构设计85-89

    4.3 人机交互接口设计89-93

    4.3.1 交互力检测装置90

    4.3.2 EMG 信号采集仪90-91

    4.3.3 EMG 信号特点值与肌肉激活程度91-92

    4.3.4 交互信息测量策略92-93

    4.4 人机力交互机理浅析93-108

    4.4.1 外骨骼机器人动力学浅析94-101

    4.4.2 人体膝关节动力学浅析101-108

    4.5 本章小结108-110

    第五章 外骨骼机器人人机交互实验及其运用110-135

    5.1 引言110-111

    5.2 外骨骼机器人制约系统111-113

    5.3 外骨骼机器人系统制约对策113-116

    5.3.1 被动制约对策114-115

    5.3.2 主动制约对策115-116

    5.4 人机交互实验及结果浅析116-126

    5.4.1 实验历程描述117-118

    5.4.2 测定 EMG 信号特点值118

    5.4.3 特点频率与收缩力联系118-121

    5.4.4 膝关节伸直实验121-124

    5.4.5 膝关节屈曲实验124-126

    5.5 外骨骼机器人运用实验126-134

    5.5.1 关节屈伸训练126-127

    5.5.2 下肢步态训练127-129

    5.5.3 主动肌力训练129-131

    5.5.4 外骨骼机器人主动制约131-134

    5.6 本章小结134-135

    第六章 总结与展望135-140

    6.1 全文工作总结135-137

    6.2 论文的革新点137-138

    6.3 工作展望138-140

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