课题基金 / 基金详情

基于脊髓反射模型的踝关节-步行环境自适应机制及助力优化研究

批准号:
32071308
项目类别:
面上项目
资助金额:
55.0 万元
负责人:
牛文鑫
依托单位:
学科分类:
生物力学与生物流变学
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
牛文鑫

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
步行助力外骨骼具有广阔的应用前景,踝是关键的助力关节。当前研究中,对踝关节的运动控制和环境适应机制了解有限,未能考虑外骨骼与足踝的人机交互过程中的步态扰动,在降低代谢能耗上存在瓶颈。脊髓反射是人体快速调节肌肉长度和载荷的重要途经,通过人为构建反射回路可实现扰动环境下的步态模拟,在柔性外骨骼助力设计中有较大潜力。最近,本团队通过实验发现,长期运动可以改变踝关节伸肌和屈肌的共收缩,从而降低运动能耗,对外骨骼助力有重要参考价值。本项目基于脊髓反射控制步态模型,通过研究人体步行时踝关节对支撑界面(坡度、硬度和光滑度)、助力时机和幅度的生物力学响应,明确踝关节适应机制;通过实验和仿真分析,优化踝关节助力设计方案,通过代谢能耗评价其助力效率;并进一步分析其对髋、膝关节的生物力学影响,评价系统安全性。本项目有助于从运动控制角度理解步态规律,优化人机协同的踝关节助力设计,实现柔性外骨骼助力实用化。
英文摘要
The exoskeleton has a wide range of applications in assistance during walking. The ankle joint is one of the main joints for exoskeleton assistance. In previous studies, there is limited understanding of the motor control of the ankle joint and its adaptation mechanism to walking environment. Failure to consider the gait disturbances in the human-exosuit interaction makes it difficult to reduce metabolic energy consumption. Spinal reflex is an important way to quickly adjust the length and load of muscles. By artificially contributing certain reflex circuits, gait simulation in a disturbed environment can be realized. This may have great potential in the design of exoskeleton assistance. .The applicant's team has researched the ankle biomechanics and recently found that long-term exercise can change the co-contraction of the ankle extensor and flexor muscles, thereby reducing exercise energy consumption. This process has important reference value for design of exoskeleton assistance. Based on an improved gait model of spinal reflex, we will study the biomechanical response of the ankle joint to the support interface (slope, hardness, and smoothness), timing and amplitude of the exoskeleton assistance during walking, to determine the adaptation mechanism of the ankle joint to the walking environment. Through in-vivo experiments and computational simulations, we will optimize the design scheme of ankle exoskeleton assistant, and evaluate its efficiency using metabolic energy consumption. We will also further analyze the biomechanical impact on hip and knee joints of the ankle exoskeleton assistant, and evaluate safety of the whole system. .This project is helpful for understanding the walking pattern of the human body from the perspective of motor control, and optimizing the design of ankle exoskeleton with nice human-exosuit interaction.
步行助力外骨骼具有广阔的应用前景,踝是关键的助力关节。当前研究中,对踝关节的运动控制和环境适应机制了解有限,未能考虑外骨骼与足踝的人机交互过程中的步态扰动,在降低代谢能耗上存在瓶颈。脊髓反射是人体快速调节肌肉长度和载荷的重要途经,通过人为构建反射回路可实现扰动环境下的步态模拟,在柔性外骨骼助力设计中有较大潜力。本项目基于脊髓反射控制步态模型,通过研究人体步行时踝关节对支撑界面、助力时机和幅度的生物力学响应,明确踝关节适应机制;通过实验和仿真分析,优化踝关节助力设计方案,通过代谢能耗评价其助力效率;并进一步分析其对髋、膝关节的生物力学影响,评价系统安全性。.项目形成了一套踝关节柔性助力外骨骼原型样机,设计了一种基于“电机-跟腱弧长等距”的个性化多参数助力模型,其中,系统软件平台的创新性设计为样机提供了较强的功能性和可操作性,而个性化多参数助力模型与外骨骼柔性机构结合,则有效解决了外骨骼助力效果不佳的问题。.实验研究发现,健康受试者和脑卒中受试者之间、不同外骨骼助力情况以及不同肢体侧之间均存在并不一致的相关性特征,表明了中枢运动控制受损后,面对不同外骨骼助力情况,左右交替的肢体步行运动存在变化的、不对称的神经肌肉控制影响。此外,踝关节助力外骨骼能改善足下垂,增强患侧踝背屈功能,减少髋外展的运动代偿。但外骨骼本身结构会减少膝屈曲峰值、增加单支撑相膝伸展力矩,助力会增加健侧髋屈曲力矩,出现了远端环节向近端环节、患侧向健侧的力学转移。同时,外骨骼助力会增加支撑中后期髋关节负荷,下肢关节炎患者长期穿戴外骨骼行走存在风险性。.基于本项目,共在iScience等期刊发表学术论文10篇,申请发明专利2项,培养博士后1名,博士生2名和硕士生3名,获得上海康复医学科技奖二等奖。本项目有助于从运动控制角度理解步态规律,优化人机协同的踝关节助力设计,实现柔性外骨骼助力实用化。
俯卧位四肢运动中腰椎生物力学响应的多肌群协同与脑肌耦合机制
  • 批准号:
    12472314
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    52.40万元
  • 批准年份:
    2024
  • 负责人:
    牛文鑫
  • 依托单位:
基于脊髓反射模型的踝关节-步行环境自适应机制及助力优化研究
  • 批准号:
    --
  • 项目类别:
    --
  • 资助金额:
    55万元
  • 批准年份:
    2020
  • 负责人:
    牛文鑫
  • 依托单位:
太极拳典型动作对老年人踝关节炎的生物力学影响
  • 批准号:
    11672211
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    52.0万元
  • 批准年份:
    2016
  • 负责人:
    牛文鑫
  • 依托单位:
着陆冲击踝关节损伤在组织层次上的生物力学发生机制研究
  • 批准号:
    11302154
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    26.0万元
  • 批准年份:
    2013
  • 负责人:
    牛文鑫
  • 依托单位:
国内基金
海外基金