基于人行走能耗分析的踝关节外骨骼设计

• 作者: 王存金 董林杰 李杰 王兴松 丁也
• 来源期刊: 机械工程学报
• 学科: 工学
• 关键词: 外骨骼 踝关节 离合机构 能量回收 耦合摆
• 年，卷（期）: 2021,（19）
• 所属期刊栏目: 机器人及机构学
• 页码范围: 79-92
• 页数: 14页
• 分类号: TP24
• 语种: 中文
• DOI: 10.3901/JME.2021.19.079

摘要

基于对人体行走的能耗分析,设计了一种新型有源无动力踝关节外骨骼.首先,基于耦合摆模型建立人体行走摆动相动力学方程并采用打靶法求解.根据动量守恒原理分别计算摆动腿膝关节锁定、脚跟着地以及关节摩擦引起的能耗率.计算结果表明,脚跟着地引起的能耗率远大于膝关节锁定和关节摩擦引起的能耗率.然后,基于该能耗分析结果设计了一种足底弹性储能机构将脚跟着地时的能耗存储起来,在跖屈蹬地阶段释放助力.通过前脚掌压力信号控制电磁铁驱动的离合机构,实现对助力弹簧夹紧与释放的状态切换.样机实验结果表明:足底储能机构可以提高外骨骼的输出力矩和功率,提升助行能力;外骨骼的最大输出力矩为19 N·m;穿戴该外骨骼行走时小腿三头肌激活度相较于不穿戴时最大下降约8.6％.踝关节角度测量结果表明,在摆动相期间外骨骼很少干扰穿戴者踝关节的正常活动.