任孟沂1，曹恩国2，赵永武1，杨〓滨2，崔宇田2
                                  (1.江南大学机械工程学院，江苏 无锡〓214122）
                                  （2.江南大学设计学院，江苏 无锡〓214122)
摘要：〖为了验证一款被动式外骨骼原理的可靠性，通过实验和理论计算的方法对该被动式外骨骼机构的内部能量损耗率进行了分析。该外骨骼拟通过在支撑相末期为足底提供助力的方式来减少行走能量。首先利用运动捕捉传感器对外骨骼的运动数据进行了采集，然后基于所得的运动数据计算出外骨骼机构的内部能量损耗率，最后用实验结果表明外骨骼内部能量损耗率可以忽略不计。该研究表明支撑相末期参考腿的运动是由足底力驱动的，而不是由关节力矩驱动的，即拟采用的原理是可行的。该研究同样也为其他同类型外骨骼的设计提供了参考和依据。
关键词：被动式外骨骼；机械腿；助力；内部能量损耗率
中图分类号：TH164; TH122〓文献标识码：A〓文章编号：2095-509X(2019)09-0023-06

 外骨骼是一种辅助和拓展人体活动能力的机械装置。外骨骼的开发和设计始于20世纪60年代，主要用于增强力量、康复医疗和减少行走代谢。其中具有代表意义的是2009年美国伯克利仿生科技公司研制成功的军用外骨骼HULC(human universal load carrier)，这款外骨骼通过液压驱动，使佩戴者能够在承受200磅(90.8 kg)的负载时轻松行走。其能量来源是两块锂聚合电池，在充满电后能保证佩戴者在负重90 kg的情况下以4.8 km/h的速度行走1 h。但不足之处是无法提供持久的动力。在康复医疗方面，日本筑波大学推出的HAL(hybrid assistive limb)系列产品能够帮助下肢行走障碍的病人正常行走，HAL通过采集腿部肌电信号来判断佩戴者的运动趋势以辅助患者行走，在结构的质量方面，每一代的HAL都会比上一代更加轻便，但第5代HAL仍重达15 kg。除此之外，许多外骨骼被开发用于军事或医疗领域，但对轻量化的用于减少行走代谢的外骨骼的研究却少之又少。
主动式外骨骼存在一些弊端，如体积大、质量大、噪声大、成本高，尽管有些轻量化的主动式外骨骼已经被开发，如ReWalk和elegs，但其驱动能源可持续性和使用效率仍然偏低。最近一项研究表明，被动式外骨骼也可以减少行走代谢，因此可将关注点转移到被动式外骨骼上。
介绍了一种用于减少负重行走过程中人的行走代谢的外骨骼，该外骨骼有6个关节，对应人体下肢的6个关节（2个髋关节、2个膝关节、2个踝关节），穿戴该外骨骼后，人体下肢的6个关节和外骨骼的6个关节位置重合。其减少行走能量的机理是，当某条腿接触到地面时（由摆动相切换到支撑相的瞬间），外骨骼装置在瞬间锁定膝盖，帮助这条腿支撑；在这条腿离开地面时（由支撑相切换为摆动相的瞬间），外骨骼装置在瞬间解锁膝盖。这种锁定和解锁是通过某种纯机械装置实现的，不需要任何能量消耗。2015年Collins等研制出了一款被动式外骨骼，该外骨骼是一个轻便的助力装置。该装置配备有一根拉伸弹簧，弹簧与使用者的小腿平行，可以减少行走过程中肌肉收缩消耗的代谢能量。该装置用一个纯机械的离合器来连接弹簧的一端，当脚处于支撑相阶段时，离合器关闭，弹簧会因为踝关节的背伸运动而被拉伸，储存的能量随后被释放帮助踝关节跖屈
plantarflexion）；当脚在摆动相阶段时，离合器打....

基金项目(中央高校基本科研业务费专项资金(JUSRP51729A)
作者简介：任孟沂（1994—），男，硕士研究生，主要从事被动式助力外骨骼设计与研究，1194138875@qq.com.
通讯作者：曹恩国，ceg24942849@foxmail.com；赵永武，zhaoyw@jiangnan.edu.cn.

文章来源《机械设计与制造工程》杂志如需详细资料请联系江苏机械门户网客服QQ:2980918915,电话025-83726289）

更多关注，请扫码