模擬驅動的外骨骼概念性設計


Professor John Rasmussen


Head of the biomechanics research group – Department of Materials and Production, Aalborg University, Denmark







產品開發過程中,必須支付的設計成本

在開發初期,需要支付的設計成本往往遠高於預期,即使最後花費的總金額相同,計畫很可能在資金來不及補足前中止。報告中,重點在於如何在初期先掌握設計方向,避免初期的開銷過大,造成計畫中斷。




比較兩種模型 (行走模型 vs 抬舉重物模型)




膝關節壓縮力

左圖為行走時膝關節的壓縮力,右圖為抬舉重物時雙腿的膝關節壓縮力 (兩個顏色代表左右腿不同的受力大小)。可以看到最大受力的數值是在接近的數值區間 (抬舉重物因為物件重量,所以會稍微加大)。





髕股關節的壓縮力

單純觀察左腳髕股關節承受的壓縮力,抬舉重物時的最大受力會是行走時受力的三倍左右。






腰椎承受的壓縮力

比較腰椎承受的壓縮力,抬舉重物時腰椎承受的壓縮力會是行走時承受的壓縮力四倍以上。




概念設計

在逆動力學上,有一種固有的數學技巧,可以用來計算出系統中任意位置的理想力 (ideal force)。




Model Constraints

將問題分成兩部分:

  • 利用 Mocap markers 在運動學計算中提供位置

  • 利用 Anybody 取得在指定位置的作用力(動力學計算)




First idea

Patella-femoral loads was a problem. Can we fix this with an exo that helps extend the knee?

髕骨-股骨關節的負荷是一個問題。我們能用幫助伸展膝關節的外骨骼固定裝置來解決這個問題嗎?




膝關節伸展的作用力

在程式碼中增加上述五行,輸出左右腳的膝關節作用力






髕骨-股骨關節在加上外骨骼與未加上外骨骼時的壓縮力差別





將不同角度時的髕股關節作用力矩輸出,可以得到下圖。

圖中藍色線性回歸的虛線就是理想彈簧,能夠用來設計外骨骼機構。




彈簧定義

將計算出來的理想彈簧 K值建立左右腳彈簧






髕骨-股骨關節在加上外骨骼彈簧與未加上外骨骼彈簧時的壓縮力差別

初始的受力幾乎完全消失 = 0(藍色虛線範圍)



Second idea

  • 假設要設計一個抬重物的外骨骼機構

  • 在初始階段, 先定義一個跨越了膝蓋-臀部-腰椎的可拉伸桿

  • 利用 Anybody 作分析時, 先在這個可拉伸趕上加上 AnyReacForces 的變數, 假設這個拉伸桿可以提供支撐 (ideal but unrealistic support)

  • 以類似 First idea 的方式進行計算研究



髕股關節在加上與未加上理想拉伸桿的作用力大小比較




L5-S1 (椎間盤) 再加上與未加上理想拉伸桿的作用力大小比較





將承受力量與拉伸桿的長度作圖,可以判斷理想的拉伸桿可以盡可能地減輕肌肉的負擔。





髕股關節的壓縮力




腰椎受力

加上外骨骼後,抬升重物時腰椎的承受壓縮力可以降低至大約 1200N,僅比一般步行時承受的 800N 稍微大一點 (未加上外骨骼時,抬升重物時腰椎承受力量需要超過 3000N)。




結論

  • 利用 AnyBody 模擬,以數值模擬作為外骨骼概念設計的方式是可行的。

  • 在缺少生物力學與人體工程學準則的情況下進行設計時,可以採用一些安全活動的模型做為參考基準 (例如這次報告中採用的步行模型)。

  • 利用 AnyReacForces 找出研究改進的方向,並且可以找出合適的設計參數。