肌力协同补偿的无动力下肢外骨骼设计与分析

无动力外骨骼具有质量小、代谢能耗低、基本不改变正常步态、无需外动力源和可持续工作时间长等优点,已逐渐成为新型外骨骼领域的研究热点。为提升常规无动力下肢外骨骼对步态能量的利用效率,设计了一种肌力协同补偿的无动力下肢外骨骼。首先,通过建立人体下肢动力学模型分析了行走过程中下肢能量的变化规律,得到了步态能量的储存与释放机理;然后,结合设置代起止点的折线路径及肌力贡献度,制定了关节肌肉的肌力协同补偿路径;最后,基于踝、髋关节的刚度设计了弹性储能元件,构建了一款无动力柔性下肢外骨骼,并利用OpenSim软件分析了有无穿戴外骨骼时人体下肢相关肌肉在行走过程中的代谢能耗。结果表明,在穿戴无动力下肢外骨骼时,比目鱼肌、腓肠肌和胫骨前肌的代谢能耗分别降低了31.5%,34.7%和40.0%,股直肌、阔筋膜张肌和缝匠肌的代谢能耗分别降低了36.3%,7.0%和5.0%;单个步态周期内下肢相关肌肉的总代谢能耗降低了15.5%。研究结果可为低代谢能耗的无动力下肢外骨骼的优化设计提供一定的理论依据。

基于人机工程学的无动力下肢外骨骼设计研究

本文以为普通人和有负重需要的人提供助力为目标,对无动力下肢外骨骼进行设计。在保证结构合理的基础上力求满足质量轻、操作简便、人机协调等目标。在人机工程学和人体步态运动规律的基础上提出一种无动力下肢外骨骼的设计概念,设计了该外骨骼各关节的自由度数、部件参数等关键信息,在上述基础上对外骨骼进行详细设计,并对其进行分析测试。最终基本完成了设计原型,符合预期目标,下肢外骨骼实现了对使用者助力的目的,满足了相关结构强度要求。实验结果表明下肢外骨骼的结构设计合理,工作模式符合设计要求,为进一步探索下肢外骨骼的设计打下了基础。

面向山区救援的无动力下肢外骨骼外观设计研究

面对日益复杂的山区救援行动,大型设备难以进入救援场所,需要通过大量的人力进行救援,外骨骼可为有负重需求的人提供助力,满足多种作业需求。文章首先研究了山区救援基本情况及外骨骼发展概况;其次通过分析人体关节运动和步态特征,得出面向山区救援的无动力下肢外骨骼的设计原则;最后根据这些设计原则进行了设计实践。通过文章的研究,以期在保证结构合理的基础上,对无动力下肢外骨骼的外观造型进行优化设计,从而打破传统外骨骼的机械感,赋予机械以美感并注入情感化元素。