一种主动型踝关节助力外骨骼设计及性能实验

为实现踝关节的运动助力,针对踝关节运动过程角度变化快、运动自由度多的特点,本文提出了一种基于多支链空间连杆机构的主动助力外骨骼,通过电机带动丝杆传动并组合空间连杆机构的设计方式,实现了踝关节主动的背屈/跖屈及从动的内收/外展,旨在提高踝关节外骨骼运动跟随的协调性,减少其对穿戴者运动自由度的限制。基于脚底测力系统进行步态识别,采用运动状态机对踝关节助力外骨骼进行分层控制策略研究。并对踝关节进行运动实验测试及助力评估。实验结果表明,踝关节外骨骼的有效助力范围(跖屈30°~背屈20°,内收35°~外展15°)能够满足正常行走需求,具有良好的运动跟随性(角度误差≤2°),受试者小腿肌电信号明显衰减,减幅均值可达28.91%,可实现有效助力。

踝关节助力外骨骼设计及仿真性能分析

踝关节在人体正常行走时,踝关节所承受的力矩最大。文章在分析踝关节生物力学的基础上,首先从减缓小腿肌肉疲劳角度出发设计了踝关节助力外骨骼,并建立了其力传递模型。之后,采用有限元仿真分析技术对踝关节助力外骨骼进行有限元静力学仿真,并对小腿固定支架进行瞬态动力学仿真。通过有限元分析,验证了其结构设计的合理性。最后,将正常人行走时的步态数据作为驱动对踝关节助力外骨骼虚拟样机进行了ADAMS动力学仿真,研究不同步速、不同弹簧刚度系数对踝关节助力外骨骼关节力矩的影响,仿真结果表明踝关节助力外骨骼有较好的动力输出效果,为实物的搭建提供可行性依据。