[发明专利]下肢假肢行走运动仿真实验的方法

摘要

本发明下肢假肢行走运动仿真实验的方法，涉及下肢假肢，步骤是：建立人体模型；建立下肢假肢模型；人体模型和下肢假肢模型的相关参数的设置；对人体模型和下肢假肢模型添加约束和驱动；建立地面模型并设置相关参数；实现下肢假肢行走运动仿真实验。本发明利用Solidworks、Adams和Matlab三个软件搭建下肢假肢行走运动仿真系统，在将下肢假肢加工成实体样机前，先对其行走运动状态和效果进行仿真实验验证，以针对下肢残疾人个体自身特殊性，设计和加工出适合的下肢假肢，克服了现有技术在下肢假肢的设计过程中，将每一个个体下肢假肢样机均加工出成品以验证其可行性和将每一种控制方法都通过实验来验证这种不可行方法的缺陷。

主权项

1.下肢假肢行走运动仿真实验的方法，其特征在于：利用Solidworks、Adams和Matlab三个软件搭建了一个下肢假肢行走运动仿真系统，在将下肢假肢加工成实体样机前，先对其行走运动的状态和效果进行仿真实验验证，以针对下肢残疾人个体自身的特殊性，设计和加工出适合该下肢残疾人个体自身的下肢假肢，具体步骤如下：第一步，建立人体模型：首先按人体的生理学结构，将人体分为头颈、躯干、左右上臂、左右下臂、左右手、健肢侧大腿、健肢侧小腿、健肢侧足部和残肢侧大腿12个体段，在不改变各体段运动特征和外形特征的前提下，对人体各体段进行适当简化，以椭球体和圆柱体的组合来显示头颈部分，以长方体来显示躯干部分，以圆柱体来显示左右上臂和左右下臂部分，以球体来显示左右手部分，以圆柱体来显示健肢侧大腿和小腿部分，以带有倒角的长方体来显示健肢侧足部部分，以圆柱体来显示残肢侧大腿部分，在Solidworks软件中分别建立人体各体段的三维模型，具体参数，其中人体模型部分的尺寸类参数是从GB/T 10000‑1988《中国成年人人体尺寸》中得到；各个体段的质量、质心位置和转动惯量参数则是从GB/T17245‑2004《成年人人体惯性参数》中得到，并按照实际的人体构造将各体段模型装配起来，由此建立人体模型；第二步，建立下肢假肢模型：根据已知的下肢假肢样机的结构图和相关参数，在不改变其动力学特征的前提下，对假肢样机的结构进行简化，最终简化为接受腔、小腿杆、假脚、膝关节汽缸、踝关节汽缸、膝关节汽缸与小腿杆连接部、踝关节汽缸与小腿杆连接部、接受腔与小腿杆连接部和假脚与小腿杆连接部九个零部件，在Solidworks软件中建立各个零部件的实体模型并进行装配，由此建立下肢假肢模型；第三步，人体模型和下肢假肢模型的相关参数的设置：将第一步在Solidworks软件中建立好的人体模型和第二步在Solidworks软件中建立下肢假肢模型保存为parasolid格式，导入到动力学仿真软件Adams中，对于人体模型的各个体段，分别执行Modify功能，在Mass Properties项下选择User Input选项，进而设置并输入各个体段的质量、质心位置和转动惯量参数，对于下肢假肢模型的各个零部件，分别执行Modify功能，在Mass Properties项下选择Geometry and Material Type选项，进而按照第二步中所述的已知的下肢假肢样机的设计方案对下肢假肢模型中各零部件的材料进行设置，则Adams软件将自动设置下肢假肢模型相关参数：质量、质心位置和转动惯量，上述“各个体段的质量、质心位置和转动惯量参数”的具体数值参照GB/T 17245‑2004《成年人人体惯性参数》所示；第四步，对人体模型和下肢假肢模型添加约束和驱动：在Adams软件中对第一步和第二步所建立的人体模型和下肢假肢模型添加约束和驱动，其中约束的添加由软件中的Joint模块实现，驱动的添加由软件中的Motion模块实现，对于第一步所建立的人体模型部分，将上半身的各个体段以固定副的形式连接在一起，然后根据人体的运动特征在躯干与大腿之间添加旋转副和旋转驱动以模拟髋关节，在大腿与小腿之间添加旋转副和旋转驱动以模拟膝关节，在小腿与足部之间添加旋转副和旋转驱动以模拟踝关节，对于第二步所建立的下肢假肢模型部分，则根据各个部件之间的连接形式和运动形式设置对应的约束和驱动，具体方法是，在接受腔和接受腔与小腿杆连接部间添加固定副，在接受腔与小腿杆连接部和小腿杆间添加旋转副，在小腿杆和膝关节汽缸与小腿杆连接部间添加固定副，在小腿杆和踝关节汽缸与小腿杆连接部间添加固定副，在膝关节汽缸和膝关节汽缸与小腿杆连接部间添加旋转副，在膝关节汽缸和接受腔与小腿杆连接部间添加旋转副，在小腿杆和假脚与小腿杆连接部间添加固定副，在假脚和假脚与小腿杆连接部间添加旋转副，在踝关节汽缸和踝关节汽缸与小腿杆连接部间添加旋转副，在踝关节汽缸和假脚与小腿杆连接部间添加旋转副，还需要在人体与地面之间添加平行约束，以使上述模型在行走过程中不会出现冠状面内的倾倒即左右倾倒现象，由此完成对人体模型和下肢假肢模型添加约束和驱动；第五步，建立地面模型并设置相关参数：在上述人体模型和下肢假肢模型建立好之后，还需要在Adams软件中建立平地模型，平地模型以长方体显示，并将属性设置为“Ground”，则Adams软件会识别出其为地面部分，地面模型建立好后，需要利用Adams软件中的Connect模块对模型足部与地面之间的相互作用进行设置，其中接触形式选择实体对实体，并设置好刚度、力指数、阻尼、穿透深度和摩擦因数参数；第六步，实现下肢假肢行走运动仿真实验：经过上述第一步到第五步搭建完成整套下肢假肢行走运动仿真系统，之后，利用Adams软件中的Control模块建立与Matlab软件的接口，在Matlab软件中编程实现下肢假肢的运动控制，在上述准备工作完成后，则在Matlab软件中启动仿真过程，同时在Adams软件中观看整个运动进程，若行走步态自然和正常，则证明该下肢假肢结构和控制方法合理和可行，若行走状态出现异常，则根据上述仿真过程中软件模拟得到的相关数据进行分析，进而对下肢假肢结构或控制方法进行改进，由此实现下肢假肢行走运动仿真实验，由此实现下肢假肢行走运动仿真实验。