CN108283570B - 一种用于下肢外骨骼机器人刚度调控的4d打印方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于下肢外骨骼机器人刚度调控的4D打印方法，包括利用人体三维扫描系统，获取穿戴者下肢的三维特征数据，并建立穿戴者下肢的三维体态模型；利用人体刚度测量系统，记录穿戴者下肢在不同地形的刚度特征数据，获取穿戴者下肢的刚度变化特性；以及利用三维建模软件，根据穿戴者的体态特征和运动需求，建立其下肢外骨骼机器人的三维结构模型和刚度调控机制，并据此逐层打印具有人体生物力学性能的下肢外骨骼机器人。克服了传统工艺难以实现个性化设计与制造的弊端，改善下肢外骨骼机器人与穿戴者的贴合曲线，减少下肢外骨骼机器人对穿戴者的运动干扰，增强穿戴者的舒适性。

Description

一种用于下肢外骨骼机器人刚度调控的4D打印方法
技术领域
本发明涉及增材制造领域，尤其涉及一种用于刚度调控的4D打印方法。
背景技术
中国的老龄化进程逐步加快，2018年1月，国家统计局公布，60岁及以上的老年人已经达到2.24亿，占全国总人口的比例为15.9％，65岁及以上的老年人达到1.39亿，占全国总人口的比例为10.3％，65岁及以上的老年人达到1.53亿，占全国总人口10.59％。老年人的各种生理机能和运动功能逐渐衰退，脑瘁中、帕金森、阿尔兹海默症是老年人的常见病和多发病，每年新发病患者约为200万人，丧失生活自理能力的老年人超过4000万，80％的患者会导致下肢偏瘫，导致行动不便，不得不长期卧床或借助轮椅运动，不同程度地丧失了运动能力和生活能力，经常会导致褥疮、泌尿系统感染、骨质疏松、静脉血栓等并发症的发生，在身心方面长年忍受着常人体会不到的痛苦，给家庭和社会带来了巨大的负担。
下肢外骨骼机器人穿戴在老年人的腿上，充当人体的外骨骼，帮助老年人重新站立和行走，促进血液循环，防止肌肉萎缩，减少并发症的发生，恢复运动能力和生活能力，重新回归社会，满足老年人的迫切需求，具有重要的社会价值和应用前景。
现有技术的下肢外骨骼机器人一般采用刚体结构，很少考虑刚度调控和姿态调整，缺乏柔韧性、灵活性和适应性。人体穿戴下肢外骨骼机器人运动时，下肢外骨骼机器人的刚体结构，导致下肢外骨骼机器人步态僵硬，增加穿戴者的运动阻抗，限制穿戴者的灵活运动，穿戴者与下肢外骨骼机器人的运动协同性较差，引起严重的位姿误差，造成穿戴者的运动干扰，增加穿戴者的行走疲劳，难以协调穿戴者与下肢外骨骼机器人在复杂地形的动作灵活性，降低穿戴者的舒适性，不能适应外部环境的变化，没有很好的助行，有可能成为一种负担，制约下肢外骨骼机器人的应用。
人体的运动具有灵活的环境适应性，行走在湿滑的路面时，人体会采用小步缓慢前行，下意识地收缩腿部肌肉，增大下肢的刚度；行走在平坦的路面时，人体会不自觉地舒张腿部肌肉，减小下肢的刚度。随着外界环境和运动方式的不同，人体能够自由改变下肢的刚度，调节腿部与地面的接触状态和相互作用，让下肢保持合适的刚度，产生柔顺化的运动效果，缓冲和吸收地面的冲击力，适应外界环境的变化，保持运动姿态的稳定。
每个穿戴者的下肢轮廓都不相同，需要针对每个穿戴者定制个性化的下肢外骨骼机器人，现有的下肢外骨骼机器人一般采用统一模具进行加工，无法实现个性化的设计与制造。
4D打印是在3D打印的基础上，增加一个时间维度，按照穿戴者的体态特征和运动需求，利用智能材料，个性化打印下肢外骨骼机器人。随着时间及外部环境的变化，4D打印的下肢外骨骼机器人受到不断变化的外部环境的激励，能够随时改变形状、结构和刚度，协调穿戴者与下肢外骨骼机器人在复杂地形的灵活运动。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明要解决的技术问题是仿照人体下肢的刚度变化特性，根据仿生学原理，结合4D打印技术，提供一种用于下肢外骨骼机器人刚度调控的4D打印方法。采用4D打印技术将下肢外骨骼机器人的刚度调控机能嵌入智能材料，按照穿戴者的体态特征和运动需求，逐层打印具有人体生物力学性能的刚柔耦合结构，在外界环境的激励下，产生拉伸、收缩、弯曲、扭转、膨胀等智能变形，动态调节下肢外骨骼机器人的形状、结构和刚度。从而改善下肢外骨骼机器人与穿戴者的贴合曲线，减少下肢外骨骼机器人对穿戴者的运动干扰，增强穿戴者的舒适性，提高穿戴者与下肢外骨骼机器人在复杂地形的动作灵活性、运动稳定性和环境适应性。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种用于下肢外骨骼机器人刚度调控的4D打印方法，包括以下步骤：
S1利用人体三维扫描系统，获取穿戴者下肢的三维特征数据，并建立穿戴者下肢的三维体态模型；
S2利用人体刚度测量系统，记录穿戴者下肢在不同地形的刚度特征数据，获取穿戴者下肢的刚度变化特性；
S3利用三维建模软件，根据穿戴者的体态特征和运动需求，建立其下肢外骨骼机器人的三维结构模型和刚度调控机制；
S4利用S3中所述的三维结构模型和刚度调控机制，根据逻辑顺序配置不同种类智能材料的承载单元、传感单元、驱动单元和控制单元，并将不同种类智能材料复合构成智能材料系统；
S5对智能材料系统中不同种类智能材料的位置、结构、分布和方向进行编程，开展多组分、多因素、多尺度的动态设计，利用4D打印技术，根据穿戴者的体态特征和运动需求，逐层打印具有人体生物力学性能的下肢外骨骼机器人。
较佳的，所述下肢外骨骼机器人在运动时，根据速度、受力、地形等因素，以及穿戴者的体态特征和运动需求，能够实现初始形状与变形结构的相互转换，动态调节下肢外骨骼机器人的形状、结构和刚度。
较佳的，所述下肢外骨骼机器人由承载系统、传感系统、识别系统、响应系统、反馈系统、驱动系统和控制系统，七个子系统构成，各子系统协调配合实现下肢外骨骼机器人的承载、传感、识别、响应、反馈、驱动和控制。
本发明的有益效果在于：
1.利用4D打印技术，根据穿戴者的体态特征和运动需求，逐层打印具有人体生物力学性能的下肢外骨骼机器人，克服了传统工艺难以实现个性化设计与制造的弊端，改善下肢外骨骼机器人与穿戴者的贴合曲线，减少下肢外骨骼机器人对穿戴者的运动干扰，增强穿戴者的舒适性。
2.利用人体三维扫描系统和人体刚度测量系统，能够快速获取穿戴者下肢的三维体态模型和刚度变化特性，并能提高仿生数据的准确性。
3.融合不同智能材料的属性，克服单一材料的瓶颈，兼具多种智能材料的特性，智能材料的驱动无需电机控制，能够减轻下肢外骨骼机器人的质量，降低穿戴者的负重，提高穿戴者与下肢外骨骼机器人在复杂地形的动作灵活性、运动稳定性和环境适应性。
4.通过协调配合的子系统、模块化设计，使下肢外骨骼机器人系统的整体功能在实现上更具条理性和可操作性。
附图说明
附图1为本发明的方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详述：
如附图1所示，一种用于下肢外骨骼机器人刚度调控的4D打印方法，包括以下步骤：
S1利用人体三维扫描系统，获取穿戴者下肢的三维特征数据，并建立穿戴者下肢的三维体态模型；
S2利用人体刚度测量系统，记录穿戴者下肢在不同地形的刚度特征数据，获取穿戴者下肢的刚度变化特性；
S3利用三维建模软件，根据穿戴者的体态特征和运动需求，建立其下肢外骨骼机器人的三维结构模型和刚度调控机制；
S4利用S3中所述的三维结构模型和刚度调控机制，根据逻辑顺序配置不同种类智能材料的承载单元、传感单元、驱动单元和控制单元，并将不同种类智能材料复合构成智能材料系统。
S5对智能材料系统中不同种类智能材料的位置、结构、分布和方向进行编程，开展多组分、多因素、多尺度的动态设计，利用4D打印技术，根据穿戴者的体态特征和运动需求，逐层打印具有人体生物力学性能的下肢外骨骼机器人。
进一步的，所述下肢外骨骼机器人在运动时，根据速度、受力、地形等因素，以及穿戴者的体态特征和运动需求，能够实现初始形状与变形结构的相互转换，动态调节下肢外骨骼机器人的形状、结构和刚度。从而改善下肢外骨骼机器人与穿戴者的贴合曲线，减少下肢外骨骼机器人对穿戴者的运动干扰，增强穿戴者的舒适性，提高穿戴者与下肢外骨骼机器人在复杂地形的动作灵活性、运动稳定性和环境适应性。
进一步的，所述下肢外骨骼机器人由承载系统、传感系统、识别系统、响应系统、反馈系统、驱动系统和控制系统，七个子系统构成，各子系统协调配合实现下肢外骨骼机器人的承载、传感、识别、响应、反馈、驱动和控制。通过协调配合的子系统、模块化设计，使下肢外骨骼机器人系统的整体功能在实现上更具条理性和可操作性。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何通过4D打印技术、三维结构建模和刚度调控机制来实现外骨骼机器人刚度调控的设计思路均属于本发明技术构思的保护范围，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种用于下肢外骨骼机器人刚度调控的4D打印方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1利用人体三维扫描系统，获取穿戴者下肢的三维特征数据，并建立穿戴者下肢的三维体态模型；
S2利用人体刚度测量系统，记录穿戴者下肢在不同地形的刚度特征数据，获取穿戴者下肢的刚度变化特性；
S3利用三维建模软件，根据穿戴者的体态特征和运动需求，建立其下肢外骨骼机器人的三维结构模型和刚度调控机制；
S4利用S3中所述的三维结构模型和刚度调控机制，根据逻辑顺序配置不同种类智能材料的承载单元、传感单元、驱动单元和控制单元，并将不同种类智能材料复合构成智能材料系统；
S5对智能材料系统中不同种类智能材料的位置、结构、分布和方向进行编程，开展多组分、多因素、多尺度的动态设计，利用4D打印技术，根据穿戴者的体态特征和运动需求，逐层打印具有人体生物力学性能的下肢外骨骼机器人。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述下肢外骨骼机器人在运动时，根据速度、受力、地形因素，以及穿戴者的体态特征和运动需求，能够实现初始形状与变形结构的相互转换，动态调节下肢外骨骼机器人的形状、结构和刚度。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述下肢外骨骼机器人由承载系统、传感系统、识别系统、响应系统、反馈系统、驱动系统和控制系统，七个子系统构成，各子系统协调配合实现下肢外骨骼机器人的承载、传感、识别、响应、反馈、驱动和控制。
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