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下肢外骨骼和能量再生假肢设计的立-坐生物力学仿真( Simulation of Stand-to-Sit Biomechanics for Design of Lower-Limb Exoskeletons and Prostheses with Energy Regeneration )
B Laschowski R Razavian J Mcphee
尽管再生致动器可以延长机器人下肢外骨骼和假肢的运行时间,但这些节能动力系统是专门为连续水平地面行走设计和评估的。目的:通过逆动力学模拟,分析站立至坐位时下肢关节的机械力,以估计电再生所需的生物力学能量。方法:9名受试者进行20次坐立动作,测量下肢运动学和地面反作用力。通过参数识别来估计受试者特定的身体段参数,从而使实验测量和逆动力学模拟之间的地面反作用力和力矩的差异最小化。关节机械功率由关节的净力矩和旋转速度计算,并随时间进行数值积分以确定关节生物力学能量。结果:髋关节产生的负机械功率峰值最大(1.8±0.5W/kg),其次是膝关节(0.8±0.3W/kg),踝关节(0.2±0.1W/kg)。髋、膝、踝关节每次站立至坐位运动的负功分别为0.35±0.06J/kg、0.15±0.08J/kg、0.02±0.01J/kg。结论和意义:假设一个80公斤的人和先前发表的再生致动器效率(即最大63%),机器人下肢外骨骼和假体在坐着时理论上可以再生约26焦耳的总电能,而每步行一步约19焦耳。鉴于这些再生性能计算是基于健康的年轻成年人,未来的研究应包括老年人和/或康复患者,以更好地估计有活动障碍的个人中可用于电再生的生物力学能量。
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