人体负重下肢助力机械外骨骼结构设计分析

王嘉鑫 桂熙汶 彭思逸 周明洋

摘要：机械外骨骼的设计，主要利用自动化及智能控制技术，为人体打造助力装置。人体负重下肢助力机械外骨骼的应用，则是为人体下肢活动提供支持，在调节平衡和控制步态的基础上，增强负载能力，让人体在负重状态下的下肢活动更加轻松、便捷。基于此，本文围绕着人体负重下肢助力机械外骨骼结构设计进行分析，探讨机械外骨骼的优越性，明确设计要点，根据人体下肢活动的特点，科学、合理的进行设计，进而完善机械外骨骼功能，人体可以更加舒适、安全的穿戴。

关键词：人体负重;下肢助力机械外骨骼;机械结构设计

前言：

机械外骨骼是可穿戴在人体上的机械装置，能够联动身体结构，为肢体运动提供动力和能量，同时起到防护性的作用。机械外骨骼的应用，在机械力量的支持下，可以有效减轻人体的负担，同时达到缓解疲劳的作用。人体负重下助力机械外骨骼的应用，能够作为人体外骨骼系统，助力下肢活动，既可以减轻人体承重，还可以模仿人体步态，为行走提供支持。下肢助力机械外骨骼的结构设计中，应该考虑到人体穿戴、行走的实际需求，同时可以保障其安全性、协调性与适用性。

1.机械外骨骼的结构设计

1.1设计要点

人体负重下肢助力机械外骨骼的结构设计，需要基于人体解剖学知识，具体了解人体下肢生理结构特点（骨骼结构、人体尺寸结构、关节运动特性），明确机械外骨骼在支撑身体、辅助和协调运动、感知环境以及保护身体等方面的功能，制定合理的设计方案。该过程中，应该注重安全性问题，需要保证机械外骨骼与人体下肢关节的运动相互协调，避免相互冲突，防止对人体形成伤害。人体下肢结构自由度以及各关节的运动范围，对于机械外骨骼结构设计具有重要的参考价值。根据人体的髋、膝、踝等关节活动（旋内、旋外、内收、外展等）的自由度，确定其角度变化范围，进行机械外骨骼的结构设计，机械结构的运动范围应该控制在人体关节的运动范围内。在穿戴机械外骨骼时，可以充分保障肢体、关节的安全活动[1]。

根据人体下肢的尺寸参数（大腿长度、小腿长度、踝高等），进行机械外骨骼的结构设计，使机械外骨骼与人体下肢相互协调，能够给予穿戴者舒适的体验。将机械外骨骼设计为简洁、轻便的机械装置，避免其过于繁重，满足适用性的要求。选择机械外骨骼材料的过程中，应该考虑材料的力学性能（拉伸强度、屈服强度、延伸率、弹性模量、硬度、泊松比、密度等）、抗腐蚀性，建议选择强度高、质量轻的合金材料进行机械外骨骼的制作。

1.2各关节结构设计

在下肢助力机械外骨骼中，背负机构由围腰装置和负重装置组成，主要起到减轻负载的作用。下肢机构由运动装置组成，通过对大腿杆、小腿杆的驱动控制，为大腿、小腿运动提供支撑和辅助，协调机械外骨骼与下肢的运动。足部机构则是利用传感器，根据足底压力变化情况，模拟、记忆人体下肢活动，进而对机械外骨骼运动进行调节和控制，能够与人体运动相互协调。下肢助力机械外骨骼各关节结构设计中，应该充分考虑到人体髋、膝、踝等关节的活动特点。在髋关节结构设计中，需要具体了解外展/内收、弯曲/伸展两个方向上的自由度。在外展/内收方向上，确定髋关节外展/内收的旋转中心，将其设置在腰带部位，使机械外骨骼与人体下肢能夠相互匹配，消除其误差，能够有效调节重心、保持平衡以及控制行走方向。在弯曲/伸展方向上，利用机械外骨骼的限位自锁功能，限制外骨骼运动的角度范围，进而控制其运动幅度，可以有效控制步态。

在膝关节结构设计中，需要考虑到膝关节在稳定下肢、缓冲冲击等方面的功能。利用气缸驱动大腿杆、小腿杆，在一定的角度范围内，进行弯曲/伸展运动。利用限位装置，控制机械外骨骼膝关节部位的转动角度，保障穿戴的安全性与舒适度。在踝关节的结构设计中，仅保留趾屈/背屈自由度，连接单自由度的铰链。为了将膝关节活动限制在限定在安全的角度范围内，进行限位设计。在腰带结构设计中，利用刚性腰带和柔性腰带，分别与髋关节、人体腰部进行连接，方便人体穿戴，将机械外骨骼与人体连接成一体，起到协调运动的作用，能够为力的传递与交换提供支持。大腿及小腿连杆结构的设计，对于刚度、强度的有着严格的标准和要求，确保其具有良好的承载能力。考虑到机械外骨骼的兼容性，在大腿杆、小腿杆、腰带等部位，可以将结构尺寸设计为可调节的形式，满足多种穿戴需求，满足不同类型穿戴者的需求。

2.运动学模型的建立

人体负重下肢助力机械外骨骼的结构设计过程中，需要建立运动学模型，用于分析机械外骨骼的运动学结构特点。通过步态分析，了解步行周期内的下肢在地面支撑、空中摆动等不同阶段的活动特点，得到各关节的角度活动曲线（矢平面），明确各关节角度变化规律，同时掌握大腿杆、小腿杆长度等数据。应用Denavit-Hartenberg分析方法，进行运动学分析。在运动学模型中，人体下肢为两连杆结构，建立髋关节、膝关节以及换关节的运动坐标系（坐标原点：关节转动中心），确定关节连杆参数，分析各坐标系之间的相对位姿关系。建立simulink运动学仿真模型根据运动学分析结果，了解机构末端姿态运动轨迹、关节转角变化曲线，通过对比分析，进行三维动态仿真，能够进一步得到电机驱动函数、机构末端姿态运动轨迹，分析运动姿态与人体步态是否具有一致性，进而确保人体负重下肢助力机械外骨骼结构设计的合理性[2]。

结论：综上所述，人体负重下肢助力机械外骨骼的运用，可以有效增强人体的负载能力，能够在负重状态下高效、轻松的工作。人体负重下肢助力机械外骨骼的结构设计，需要将保障安全性、提高适用性以及实现人机协调性作为设计要点，根据人体下肢的尺寸参数以及各关节的活动特点，合理进行设计，可以效调节重心、保持平衡以及控制步态。在此基础上，建立运动学模型，进行运动学仿真和动态仿真，以试验结果作为参考，判断人体负重下肢助力机械外骨骼结构设计的合理性与可行性。

参考文献：

[1]谢哲东，向美琦，姜立民.人体负重下肢助力机械外骨骼结构设计与运动学仿真[J].机械设计与制造，2020（10）：21-24.

[2]陈虹宇.穿戴式下肢复健辅助行走装置结构优化设计[J].中国设备工程，2020（07）：133-134.