变刚度柔性下肢外骨骼的设计与验证

关键词：柔性下肢外骨骼  变刚度  混合驱动  重力平衡

摘要：

      摘要 目的：针对传统下肢外骨骼助力受限、穿戴舒适性差、人机交互性欠佳等问题，本文提出一种具有步速自适应刚度调节功能的新型柔性下肢外骨骼，可实现刚度的动态调节，提升穿戴舒适性和人机协同助力效果。 方法：本文提出一种基于电机与弹性元件混合驱动的柔性下肢外骨骼，建立了基于下肢重力平衡模型的弹性元件刚度优化设计模型，并提出基于步速的关节驱动刚度适配控制方法；最后通过外骨骼不同关节驱动刚度条件下步行对照实验验证了变刚度外骨骼系统步行助力效果。 结果：实验表明与未穿戴外骨骼相比，本外骨骼三种步速下股直肌的平均肌电信号均方根值降低59%以上，半腱肌的平均肌电信号均方根值降低60%以上，双支撑期占比降低、最大步态线速度增加，均表明其具有显著助力效果。 结论：本文设计的变刚度柔性下肢外骨骼可显著降低穿戴者的肌肉激活度，增强步行效率，重量轻，穿戴方便，表明其可辅助人体运动、提升运动能力，适用于运动功能障碍患者和老年群体的运动助力。

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