CN105117545B - 下肢假肢行走运动仿真实验的方法 - Google Patents
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Abstract
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。
Description
技术领域
本发明的技术方案涉及下肢假肢，具体地说是下肢假肢行走运动仿真实验的方法。
背景技术
众所周知，我国是世界上人口最多的国家，在如此庞大的人口基数下，残疾人的数量也十分巨大。我国政府曾先后于1987年和2006年进行了两次全国残疾人抽样调查，结果显示，肢体残疾者由1987年的755万人猛增至2006年的2412万人，而且随着近年来人口老龄化加剧，交通事故和自然灾害频发，这一数字仍在逐年增加。就目前的医疗水平而言，还没有任何技术手段可以让失去的肢体再生，因此，对于这些肢体残疾者而言，穿戴假肢是他们恢复运动能力的重要途径。随着科技的不断发展和人民生活水平的提高，传统的被动型假肢已经无法满足残疾人的需要，因此主动型下肢假肢已经成为康复领域的研究热点。主动型下肢假肢可以根据下肢残疾人自身的运动信息和外部的环境信息判断出残疾人的运动状态并做出调节，从而替代缺失的下肢肢体以完成行走运动。目前，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是不现实的，而且将每一种控制方法都通过实验来验证也是不可行的。其原因在于，无论是新设计出的下肢假肢机械结构还是新提出的下肢假肢控制方法，根据以往的经验来看，对于下肢残疾人个体自身的特殊性，其均会存在一定的不合理之处，而据此加工成的下肢假肢样机让下肢残疾人穿戴进行实验时存在一定的危险，因此由此直接加工成下肢假肢样机进行实验无疑会产生很高的成本。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供下肢假肢行走运动仿真实验的方法，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，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。
本发明解决该技术问题所采用的技术方案是：下肢假肢行走运动仿真实验的方法，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，具体参数由经验公式计算得到，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；
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，则可以在Matlab软件中启动仿真过程，同时可以在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。
上述下肢假肢行走运动仿真实验的方法，所述第一步中的“具体参数由经验公式计算得到”，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/T 17245-2004《成年人人体惯性参数》中得到。
上述下肢假肢行走运动仿真实验的方法，所述第二步中的“已知的下肢假肢样机的结构图和相关参数”来自文献《Design and Control of a Powered TransfemoralProsthesis》。
上述下肢假肢行走运动仿真实验的方法，所述第三步中的“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。
上述下肢假肢行走运动仿真实验的方法，所述Solidworks、Adams和Matlab三个软件是公知的，Solidworks软件是三维CAD设计软件，其他所用到的材料也是公知的。
本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明的突出的实质性特点是，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。
本发明的显著进步是：克服了现有技术中在下肢假肢的设计过程中，将每一种下肢假肢样机均加工出成品以验证其可行性是不现实的，而且将每一种控制方法都通过实验来验证也是不可行的缺陷；据此加工成的特定下肢假肢让对应特定下肢残疾人穿戴进行实验时安全；由此加工成下肢假肢的成本低。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1为本发明方法的操作流程示意图。
图2为本发明方法中建立的人体模型和下肢假肢模型示意图。
图中，1.人体模型，2.下肢假肢模型。
具体实施方式
图1所示实施例表明，本发明方法的操作流程是：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。
对上述流程补充解释如下：首先在Solidworks软件中建立人体各个体段的模型，并按照实际的人体构造将各体段模型装配起来，组成完整的人体模型；根据下肢假肢样机的结构和相关参数建立下肢假肢样机各个零部件的模型，并装配组成完整的下肢假肢模型；将Solidworks软件中建立好的人体模型和下肢假肢模型保存为parasolid格式，导入到动力学仿真软件Adams中，对相关参数进行设置；按照人体的运动特征和下肢假肢的运行机制，在对应的体段和零部件间添加约束和驱动；在Adams软件中建立地面模型，并对足部和地面间的相互作用形式和相关参数进行设置；建立Adams软件和Matlab软件的接口，在Matlab软件中编程实现下肢假肢行走运动仿真实验。
图2所示实施例显示本发明中建立的人体模型和假肢模型，其中，上部为人体模型1，下部为下肢假肢模型2。由该模型可见，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。
实施例1
本实施例的下肢假肢行走运动仿真实验的方法，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，具体参数中的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》中得到的，质量、质心位置和转动惯量参数是从GB/T 17245-2004《成年人人体惯性参数》中得到的，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：
根据文献《Design and Control of a Powered Transfemoral Prosthesis》中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，具体数值参照GB/T 17245-2004《成年人人体惯性参数》所示，对于下肢假肢模型的各个零部件，分别执行Modify功能，在MassProperties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；
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：
在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，则可以在Matlab软件中启动仿真过程，同时可以在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。
上述实施例中，所述Solidworks、Adams和Matlab三个软件是公知的，Solidworks软件是三维CAD设计软件，其他所用到的材料也是公知的。
Claims (1)
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。
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