文摘
根据人体的运动学分析,一系列的外骨骼机械结构设计模仿生理结构和人类的下肢的运动特征。研究的生物力学特征外骨骼行走时在两个不同的阶段,并提供一个研究外骨骼的设计和优化的基础。医生和工程师正在积极致力于的基本理解和改进组织的特征,人体肌肉骨骼系统的结构和功能。首先,根据下肢步态分析,外骨骼机械结构设计通过使用三维建模软件。生成实体模型后,组装、啮合,元素属性赋值通过使用有限元软件进行。和每个建筑之间的面对面的接触关系,建立了应力分布的外骨骼模拟和分析。外骨骼在不同工作条件下的应力分布是明显不同的。由于计算没有考虑不确定性等冲击期间可能发生的走路,有必要考虑并乘以一定的安全系数在设计优化的外骨骼。
1。介绍
人体的运动系统包括三个主要器官:肌肉,骨骼和关节。力的中心内容,杠杆和支点在人体的运动系统1]。的组合结构和功能的三个起源于胚胎。出生后,骨骼不断模仿和改造由于其适应外部环境,尤其是对机械刺激(2]。运动员运动损伤是一个基本的问题困扰。了解运动损伤机制及其预防不仅是运动医学中的一个基本问题,也是我们研究的基本问题之一,运动生物力学[3]。目前,大多数的国内研究外骨骼是基于控制领域,很少有研究在外部骨机械结构,和外骨骼机械结构设计的合理性直接决定了整个系统的性能。近年来,随着数字和计算机技术的不断发展,有限元法已经成为一个非常有用的工具,分析骨科力学的变化。仿真条件更接近现实,和结果的可靠性更高4]。锻炼,作为一个有效的手段来提高骨质量,已得到广泛应用。运动对骨生物力学特性的影响已成为运动医学的热点之一。咨询相关文献的基础上,综述了不同的运动方式对骨生物力学特性的影响及其研究进展。为了提高骨的生物力学特性,选择一个更好的运动方式和强度提高的科学依据和参考5]。自2014年以来,一个优化的研究理论核心壳聚合物纳米纤维膜凝胶聚合物电解质中提出了(6]。的理论之后,油在水乳液的制备三维双连续骨架疏水性聚合物薄膜(小组还提出7]。2016年,理论温度对力学性能的影响的莫来石纤维陶瓷制作的三维框架成型研究了相关学者(8]。
骨组织代谢的过程中,骨形成和骨重建的刺激下不断进行外部世界。运动可以提高骨质量,增强骨骼抗断裂的能力,减少骨折的风险(9]。中国学者的研究阐述了生物力学的有限元法在某些学科从各自的专业,但他们缺乏系统化。摘要有限元法的概念和原理和有限元的范围和进度骨骼生物力学的研究进行了综述(10]。外骨骼是一种新的机械增压类似于昆虫的外骨骼,旨在帮助人们扩大下肢运动能力。它可以帮助士兵个人来增加自己的能力承受沉重的负荷,提高运动能力的救灾和防爆人员,并帮助老年人和残疾人提高他们独立生活的能力。(11]。除了遗传的影响,年龄,性别,骨量也受机械载荷,激素和营养。人体需要做基本的运动来维持骨量,和使用或没有重量导致骨量明显降低(12]。基本思想是模拟人类骨骼框架和负载转移到地面通过外骨骼减少人体上的负载。从生物力学的角度,本文侧重于骨骼肌的结构和功能适应探索骨骼肌运动损伤的机制,旨在激发玉深人研究和工作在这方面的运动生物力学13]。
骨生物力学是生物力学的最主要部门之一,它使得无数的生物科学划时代的贡献,医学,工业,甚至我们的日常生活。骨的生物力学性能包括结构材料的力学性能和机械性能(14]。骨的结构力学性能指整个骨骼结构的力学性能,它不仅是相关的骨的力学性能,而且骨的几何性质。形状的影响,规模等结构力学性能的骨头可以反映载荷变形曲线。人体体重外骨骼是一个人机一体化系统。在行走的过程中,耐磨性和安慰是需要考虑的主要问题15]。为了设计一个舒适的外骨骼,它必须基于一个重要principle-anthropomorphic。中国学者的研究阐述了生物力学的有限元法在某些学科从各自的专业,但缺乏系统性16]。摘要有限元法的概念和原理和有限元的范围和进度骨骼生物力学的研究进行了综述。骨的力学性能是指材料的机械性能骨组织本身,这是独立的几何形状的骨头。材料力学性能可以反映骨的应力-应变曲线(17]。本文主要概述了自适应变化的机制和监管的机械刺激(压力)或体育锻炼bone-bone矿物质密度和结构,简要介绍了现代测量技术和方法的相关研究和评价指标(18]。
本文总结了骨头的外部环境的适应性,特别是介绍了自适应变化和相关机制相关的骨骼对机械刺激运动,以及现代骨的测量和评估技术和方法的研究。本文的创新贡献包括以下几点:1。肌肉拉伤的修复效果的程度是有限的肌肉损伤和肌肉损伤的治疗。2。外骨骼的设计、人体运动学的原理进行了分析和模拟人类骨骼的关节设计连接。3所示。当机械负载应用到骨增加,骨的应变增加。当压力增加或超过一定极限,它刺激骨开始骨重建的过程。
2。材料和方法
每一块肌肉是由茂密的深筋膜包裹,比如“紧密配合”结构。深筋膜的深层密集的epimyocardium。肌肉分为几部分称为肌肉束,和周围的膜结构肌肉束肌肉腹膜[19]。人体下肢行走的顺序是分工的动态走在时间序列,它的基本理论是研究步行特征(20.]。只有清楚地分析人体下肢的运动规律我们可以进一步设计联合下肢的自由。人体的行走是下肢的圆周运动,和一个完整的周期变成了一步。一步由支持阶段和一个摆动阶段(21]。骨的韧性材料指的是应力-应变曲线下的面积,这表明引起骨折的骨材料所需要的能量,影响骨基质成分如骨矿物质含量和胶原纤维取向。骨组织与高韧性能更好地抵抗骨折的发生,随着年龄的增长和骨的韧性降低。后天因素有一个很大的影响骨的生长和发育,峰值骨量,过程和骨质疏松症的严重程度。对峰值骨量的影响尤为显著。在达到峰值骨量(约30岁),男性和女性的骨矿物质密度降低随着年龄的增长,和致密骨的弹性模量和强度也下降,和女人比男人更重要。
表1列出了外骨骼的一系列活动。一般来说,这个范围内的活动的范围大于活动时一个人走路和不到活动的最大范围的一个人。
在第一种情况下,外骨骼是对称的,所以左右腿的压力是相同的。只有一半的结果时需要提取的提取结果。每个组件的压力计算结果如表所示2。
启动PID_ILC MATLAB编写的控制程序,生成新的电机3、4输入位移曲线,保存下操作Excel作为输入,并重复这个过程。A和B所示的初始状态数据1和2。
主要的肌肉健康是胶原纤维间质组成部分。胶原纤维交织成束,包围一层疏松结缔组织触摸内膜,胶原纤维束之间的略有下滑,血管和淋巴管运行其中[22]。在肌腔之外,还有一个完整的动脉外膜,与子宫内膜。从机制的角度,下肢骨骼运动链是一个串并联混合结构与旋转运动作为其重要组成部分。根据不同形式的下肢运动,它显示了不同形式的运动链。考虑到各关节的活动,人体下肢的运动是定位在7自由度。运动对骨的影响力学性能随运动强度的增加。中等负荷运动对骨骼的影响力学性能比低负荷运动。因此,得出的结论是,为了获得增加骨量,大运动负荷下应该选择适合个人的关键力量负载。致密骨随着年龄的改变会导致横向补偿增加支柱的惯性矩,从而减少骨骼强度的减少由于降低骨质密度。这也解释了为什么老年性骨质疏松性骨折通常发生在脊柱,近端股骨和肱骨远端半径。 Periorbital tissue formed by loose connective tissue reduces friction between the muscle bond and its surrounding tissue. When viewed with a polarizing microscope, the muscles exhibit a curled, wavy appearance. The way in which the muscle bond is crimped plays an important role in its mechanical properties, and degenerative aging changes are seen very early in the tendon tissue.
3所示。结果分析和讨论
设计外部骨机械结构,我们必须首先理解力传导机制和力学的外骨骼,包括力特征外骨骼的同步状态。在分析人类的步态,腿被选中时,左脚趾离地面,垂直胫骨的临界点是作为计算条件。两脚站和左脚趾类似于地面,所以腿和垂直站立位置的临界点的胫骨终于作为计算条件。在骨组织的代谢过程,锻炼作为一个机械载荷对骨的生物力学性能产生影响,但负载过低不足以引起适应性骨的变化。过高负载的影响,容易导致骨吸收大于骨形成的影响,导致骨代谢负平衡。因此,骨质疏松和骨生物力学性能降低,因此,适当的运动可以更好地提高和改善骨的力学性能。骨架上的外生机械力出生后可以概括为内生肌肉收缩力和外生的反应力,即使骨骼变形。这些力量调节骨骼生长和发展主要是通过调节intrachondral增长和骨化,关节软骨发育,perichondral /骨膜成骨,intrachondral成骨。肌肉伸展和收缩的过程中,进行能量吸收的重要功能,保护肌肉纤维,力传输和肌肉的重要结构基础功能实现器官。训练负荷的影响,膜的结构和功能和关键结构系统将自适应变化。 Therefore, the membrane system and cavity structure cannot be ignored in strength training.
在仿真实验中,迭代学习的初始状态图所示3。九个迭代后,模型的输出曲线收敛于目标曲线(图4)。整个迭代学习的收敛过程如图5。
在计算条件2,左右的外骨骼不再对称,和每个组件的压力结果需要分别提取。计算结果如表所示3。
采用二进制编码的编码模式,轮盘赌选择操作符用于选择运营商,使用单点交叉算子在交叉算子和变异算子中使用基本位变异算子。其他计算参数如表所示4。
外部负载的质量f运动的加速度b,根据牛顿第二定律:
可以看出,肌肉力量的变化可以通过改变质量或获得加速度,使用以下数学表达式:
逐步接触脚与地面的过程被视为spring-damped并行加载的系统:
认为这一过程的转矩平衡脚踝周围的脚踝。
过程1和2反应部队叠加,并合力之间的关系x和e和电机3位移ax可以通过适当简化:
最常见的迭代学习算法的比例积分微分(PID)类型。其参数概念是明确的,它能保证收敛性和收敛速度很快通过合理的优化。其形式如下:
每个迭代学习的效果评估的均方根(RMS)错误,它反映了程度测量数据偏离真实价值(包括积极和消极偏差),是一个评价指标的跟踪轨迹。
垂直地面反作用力的输出如图6类似形状的状态曲线获得在实际系统中,表明该模型基本上反映了实际系统的法律。
肌肉力量是指肌肉收缩的能力在人类克服内部和外部阻力运动活动。内部阻力包括人体的严重性,加强力量的关节,肌肉韧带的粘滞力,和人体内部的反作用力(惯性力);外部阻力包括重力、支持反作用力、摩擦力、中抗惯性力等。考虑到三维有限元法已广泛应用于机械性能研究近年来,为了验证设计方案是否满足设计要求,最后确定设计的结果,使用ANSYS软件进行数值模拟。整个建筑几何模型更复杂,所以Hypermesh用于几何处理和啮合。这两个软件结构用于网格导入到有限元分析软件,分析了关节,通过face-to-surface接触元素。目前,这个过程还可以执行计算机有限元应力分析和仿真模型通过“连续骨材料。”然而,为了验证本地或综合力学对骨量的影响,即确定“end-pint措施,“有必要建立动物模型和人类比较和评价不同的运动负荷。它改变了人体的功能状态和合理程度的努力。外部阻力是施加因素和力量训练手段和外部刺激人体。 In the process of overcoming this resistance, the body shows its strength and develops its strength quality.
4所示。结论
本文综合骨架到外部环境的适应性,特别是介绍了适应性变化的骨架相关的机械刺激运动及其相关机制,和现代骨研究测量和评价技术和方法。由纤维结缔组织修复被称为纤维修复。它也被称为瘫痪疤痕修复,因为修复瘫痪疤痕的形成。肌肉拉伤的修复结果的程度是有限的肌肉损伤和肌肉损伤的治疗。在外骨骼的设计中,首先,分析了人体的运动学原理,然后人类骨骼连接的接头设计模式模拟。采用挠度设计符合人体结构,确保之间没有干扰人体外骨骼行走期间,同时提高舒适性。随着机械负载应用到骨的增加,骨的应变增加,当压力增加的数量或超过一定极限,骨头可以刺激启动骨重建过程。因此,骨量增加,骨骼结构也改变了轴承的需求,适应,以便提高骨的生物力学特性和改进。许多体育工作者从事运动处方来提高骨密度,预防骨质疏松症有高度的兴趣和热情在这方面,这无疑将促进研究的深度和广度。然而,它应该强调,我们不能忘记的肌肉和关节的基本组成人体的运动系统,同时研究骨骼。 In clinical and sports practice, there is an intrinsic and complementary relationship between bone culture and bone health.
数据可用性
使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
这项工作是支持的队社会科学基金一般项目(没有。20 yb17)。