随着社会与科学的发展,人机融合技术的出现,为提高人体运动的能力和效率提供了方法,使得外骨骼、柔性助力服等辅助装置得到了广泛的研究。外骨骼能够增强人体行动能力、减轻负重,在军事和医疗领域有着巨大的发展前景,但是外骨骼体积大、质量大、需要能源供给且与人体匹配度不高,难以广泛应用于日常生活领域,而柔性辅具具有灵活性强、人体舒适性高的特点,能够弥补外骨骼的不足。本文设计一款基于柔性机织物,利用仿生变刚度原理构造的变刚度膝关节辅具,以通过调控并优化膝关节刚度来降低运动消耗,提升人体运动能力。研究内容包括以下方面:1.使用人体步行时一个步态周期内膝关节运动学和动力学分析方法,利用步频、步速、步幅等运动学参数以及膝关节的力矩、偏转角等动力学参数,给出步态周期中膝关节刚度与人体运动代谢成本的关系即随着膝关节刚度增加,代谢成本先减小后增加,研究不同速度下的膝关节刚度与代谢成本间的变化情况,阐述变刚度膝关节柔性辅具对人体运动经济性的影响机理。2.分析鲨鱼皮肤及躯干刚度变化的机理,分析辅具利用该机理的可行性,并利用其设计以纤维角度调控刚度的柔性机织物构件,研究构件的工作原理,最终利用该机理,实现膝关节柔性辅具刚度的变化。3.建立柔性纺织物的结构模型,对选用材料和织物纤维的结构进行研究与分析,给出选用标准与方法,并对其进行材料力学以及细观力学分析,研究织物细观结构中的纤维角度对织物刚度的影响规律,并利用COMSOL仿真实验方法,研究受力方向与机织物中经编方向成不同角度的情况下的应力-应变关系,获得在不同角度下的刚度变化规律。基于均匀边界条件假设,利用代表体元的特点,确定纤维角度和织物伸长量之间的变化关系,最终确定纤维角度与机织物的刚度变化关系。4.设计并制作实验所需的具有不同刚度的机织物材料,并将其安装在实验辅具上,穿戴后进行步行运动,利用高驰POD功率计对过程中步频、跑步功率等数据进行测量,用其计算出膝关节刚度和代谢成本。根据人体膝关节在穿戴不同参数辅具条件下的刚度情况,得到变刚度柔性辅具机织物纤维角与代谢之间的关系,用以评价人体运动经济性。5.最终对通过调节织物纤维角,改变辅具穿戴后关节刚度的方法进行验证,并阐明对于人体运动经济性的优化机制及其可行性。