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工程设计学报
工程设计学报  2021, Vol. 28 Issue (4): 480-488    DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2021.00.053
整机和系统设计     
基于弹性装置驱动的外骨骼助行效能评价
曹恩国1, 王刚2, 王琨2, 高阳2
1.江南大学 设计学院， 江苏 无锡 214122
2.江南大学 机械工程学院， 江苏 无锡 214122
Evaluation of walking aid effectiveness of exoskeleton driven by elastic device
CAO En-guo1, WANG Gang2, WANG Kun2, GAO Yang2
1.School of Design， Jiangnan University， Wuxi 214122， China
2.School of Mechanical Engineering， Jiangnan University， Wuxi 214122， China
 全文: PDF(2757 KB)   HTML
摘要： 目前，被动式助行外骨骼的能量转化效率较低。基于人体步态特征及人在行走过程中产生的重力势能和动能，分析了外骨骼的助力原理，并采用多级能量锁止机构设计了一款下肢被动式外骨骼。建立了外骨骼的动力学仿真模型，以体重和行走速度为变量，对外骨骼储能性能进行了仿真分析。以肌电信号为依据对外骨骼的助力性能进行了研究，对比了在穿戴/未穿戴外骨骼时下肢各肌肉肌电信号的时域曲线及积分值。结果表明，多级能量锁止机构可以提高外骨骼的储能效率，外骨骼对不同体重和不同行走速度具有优良的自适应性，且存储能量与体重、行走速度均成正相关关系。该外骨骼在不同的行走状态下均具有良好的助力作用。
Abstract: At present, the energy conversion efficiency of passive walking aid exoskeleton is relatively low. Based on the gait characteristic of human body and the gravitational potential energy and kinetic energy generated during walking, the power assisted principle of exoskeleton was analyzed, and a lower limb passive exoskeleton was designed using multi-level energy locking mechanism. Dynamic simulation model of exoskeleton was established, and the energy storage performance of exoskeleton was simulated and analyzed with weight and walking speed as variables. Based on EMG (electromyography) signals, the assistance performance of exoskeleton was studied, and the time-domain curves and integral values of EMG signals of lower limb muscles with and without exoskeleton were compared. The results showed that the multi-level energy locking mechanism could improve the energy storage efficiency of the exoskeleton. The exoskeleton had excellent adaptability to different weight and walking speed, while the stored energy was positively correlated with both weight and speed. The exoskeleton has good boosting effect under different walking states.
收稿日期: 2020-08-18 出版日期: 2021-08-28
CLC:  TH 122  
基金资助: 国家自然科学基金资助项目（51505191）；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（JUSRP51729A）；江苏省自然科学基金资助项目（BK20150161）
作者简介: 曹恩国（1983—），男，河北秦皇岛人，副教授，博士，从事康复机器人等研究，E-mail：ceg24942849@foxmail.com， https：//orcid.org/0000-0002-4454-0207；
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引用本文:

曹恩国, 王刚, 王琨, 高阳. 基于弹性装置驱动的外骨骼助行效能评价[J]. 工程设计学报, 2021, 28(4): 480-488.

CAO En-guo, WANG Gang, WANG Kun, GAO Yang. Evaluation of walking aid effectiveness of exoskeleton driven by elastic device. Chinese Journal of Engineering Design, 2021, 28(4): 480-488.

链接本文:

https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/10.3785/j.issn.1006-754X.2021.00.053    或    https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/Y2021/V28/I4/480

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