【摘 要】
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髋关节是人体活动中尤为重要的关节之一,在连接人体上半身的同时负责启动人体下肢。助力外骨骼是一种增强人体行走耐走性或减小人体代谢成本的辅助性行走设备,将人体自身行走的机械能进行回收,通过其机械结构将机械能转化为弹性势能,完成对人体行走提供助力,以此减小人体在行走过程中的的代谢成本,提升人体行走阈值。本文分析以髋关节为主的国内外无动力助力外骨骼现状,结合人体下肢运动特性和髋关节解剖学设计了一种储能元件
【基金项目】
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中央军委科技委国防科技创新课题“XXXXX能量收集与存储关键技术样机研制（106-418321001）”； 教育部项目“老龄化背景下KOA运动辅具设计及应用研究（21XJC760003）”； 陕西省青年杰出人才配套基金“基于人体运动生物力学的下肢助力俘能及辅助康复关键技术与验证研究（106-451420001）”；
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髋关节是人体活动中尤为重要的关节之一,在连接人体上半身的同时负责启动人体下肢。助力外骨骼是一种增强人体行走耐走性或减小人体代谢成本的辅助性行走设备,将人体自身行走的机械能进行回收,通过其机械结构将机械能转化为弹性势能,完成对人体行走提供助力,以此减小人体在行走过程中的的代谢成本,提升人体行走阈值。本文分析以髋关节为主的国内外无动力助力外骨骼现状,结合人体下肢运动特性和髋关节解剖学设计了一种储能元件为变刚度弹簧和卷簧的组合式无动力型髋关节助力外骨骼。主要研究内容如下:（1）人体下肢特性分析及数学模型建立。通过研究人体下肢运动生物力学特性和髋关节解剖学,建立人体下肢逆运动学模型和逆动力学模型,通过对人体进行下肢数据采集实验,得出躯干、足部位移轨迹,根据步态采集得到数据导入人体下肢逆动力学、逆运动学模型得到无动力髋关节助力外骨骼设计输入——髋关节运动参数。（2）无动力型髋关节外骨骼设计。通过分析人体下肢行走步态周期与髋关节的运动规律,得出装置适配运动原理,根据髋关节运动参数确定变刚度弹簧和卷簧的设计参数,通过Ansys仿真验证储能元件设计的合理性;根据变刚度弹簧运动行程设计凸轮传动机构与变刚度弹簧固定结构;根据人机工程学设计绑缚连接结构。最后进行外骨骼的实物加工,验证外骨骼机构设计的合理性、机械结构伟动性、人机协同性。（3）人机耦合仿真验证。利用Adams软件和Sol idworks构建人体与外骨骼的人耦合模型,在ADAMS中进行人机协同性和外骨骼助力效果分析,通过对比人体模型穿戴外骨骼前后的角速度、大腿质心速度、小腿质心速度来验证人机运动协同性;对比人体模型穿戴外骨骼前后的髋关节力矩,验证外骨骼设计的合理性及助力效果。（4）实验验证助力效果。通过Nokov动作捕捉实验,得出穿戴外骨骼前后髋关节角度、力矩、动能、势能的变化;通过肌电信号实验,得出穿戴外骨骼前后人体股直肌、股外侧肌、胫骨前肌的肌电信号变化,分析验证装置的助力效果。
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