基于跑步步态特征的膝关节助力外骨骼产品设计研究

Research on the Design of Knee Joint Assisted Exoskeleton Product Based on Running Gait Characteristics

随着外骨骼相关理论研究与设计的不断发展,助力外骨骼逐渐普及。外骨骼产品不仅是运动能力受损人群的康复辅具,而且逐渐成为人们生活中必不可少的运动辅助工具。为了提高外骨骼产品的人机协同性及助力效能,探索被动式柔性助力外骨骼的设计路径,拓展外骨骼应用场景,文章从人体跑步步态特征入手,对人体生物力学特征和步态周期性特征进行研究,总结出跑步时人体运动步态的周期性规律及能量转换规律,并提出基于跑步步态特征的下肢助力外骨骼结构设计的关键部分,从人机尺寸的选择、外骨骼关节的插齿结构设计、人体附着固定方式、弹性元件选择以及基于人机步态协同的控制策略五个方面进行膝关节助力外骨骼结构设计,并基于结构设计进行设计实践,提出三种外观方案,针对其中一种方案进行结构优化和外观细化。结合步态特征的特殊关节锁定结构实现下肢外骨骼的储能与释能助力效果,基于用户体验设计出一款符合用户需求和外骨骼设计原则的被动式助力外骨骼,实现柔性助力和轻量化的设计目标,为外骨骼产品的设计提供思路与方向,为被动式柔性外骨骼的设计研究提供借鉴。