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工程设计学报
工程设计学报  2021, Vol. 28 Issue (6): 764-775    DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2021.00.080
整机和系统设计     
肌力协同补偿的无动力下肢外骨骼设计与分析
王永奉1,2, 赵国如2, 孔祥战3, 郑凯2, 李光林2
1.湖北理工学院 智能输送技术与装备湖北省重点实验室， 湖北 黄石 435003
2.中国科学院深圳先进技术研究院 人机智能协同系统重点实验室， 广东 深圳 518055
3.北京理工大学 机电学院， 北京 100081
Design and analysis of unpowered lower-limb exoskeleton with muscle strength synergistic compensation
WANG Yong-feng1,2, ZHAO Guo-ru2, KONG Xiang-zhan3, ZHENG Kai2, LI Guang-lin2
1.Hubei Key Laboratory of Intelligent Transportation Technology and Devices， Hubei Polytechnic University， Huangshi 435003， China
2.Key Laboratory of Human-Machine Intelligence-Synergy Systems， Shenzhen Institutes of Advanced Technology， Chinese Academy of Sciences， Shenzhen 518055， China
3.School of Mechatronical Engineering， Beijing Institute of Technology， Beijing 100081， China
 全文: PDF(6779 KB)   HTML
摘要： 无动力外骨骼具有质量小、代谢能耗低、基本不改变正常步态、无需外动力源和可持续工作时间长等优点，已逐渐成为新型外骨骼领域的研究热点。为提升常规无动力下肢外骨骼对步态能量的利用效率，设计了一种肌力协同补偿的无动力下肢外骨骼。首先，通过建立人体下肢动力学模型分析了行走过程中下肢能量的变化规律，得到了步态能量的储存与释放机理；然后，结合设置代起止点的折线路径及肌力贡献度，制定了关节肌肉的肌力协同补偿路径；最后，基于踝、髋关节的刚度设计了弹性储能元件，构建了一款无动力柔性下肢外骨骼，并利用OpenSim软件分析了有无穿戴外骨骼时人体下肢相关肌肉在行走过程中的代谢能耗。结果表明，在穿戴无动力下肢外骨骼时，比目鱼肌、腓肠肌和胫骨前肌的代谢能耗分别降低了31.5%，34.7%和40.0%，股直肌、阔筋膜张肌和缝匠肌的代谢能耗分别降低了36.3%，7.0%和5.0%；单个步态周期内下肢相关肌肉的总代谢能耗降低了15.5%。研究结果可为低代谢能耗的无动力下肢外骨骼的优化设计提供一定的理论依据。
Abstract: The unpowered exoskeleton has the advantages of small mass, low metabolic energy consumption, basically no change in normal gait, no need for external power source and long sustainable working time, which has gradually become a research hot spot in the field of new exoskeletons. In order to improve the gait energy utilization efficiency of the conventional unpowered lower-limb exoskeleton, a unpowered lower-limb exoskeleton with muscle strength synergistic compensation was designed. Firstly, the energy change law of lower limbs during walking was analyzed by establishing a human lower limb dynamics model, and the mechanism of storage and release of gait energy was obtained; then, combined with the polyline path with substitute start and end point and the muscle strength contribution, the muscle strength synergistic compensation path of the joint muscle was formulated; finally, based on the stiffness of ankle and hip joint, the elastic energy storage elements were designed to construct an unpowered flexible lower-limb exoskeleton, and the OpenSim software was used to analyze the metabolic energy consumption of human lower limb muscles during walking with or without wearing the exoskeleton. The results showed that when wearing the unpowered lower-limb exoskeleton, the metabolic energy consumption of soleus, gastrocnemius and anterior tibial decreased by 31.5%, 34.7% and 40.0%, respectively, and the metabolic energy consumption of rectus femoris, tensor fascia lata and sartorius decreased by 36.3%, 7.0% and 5.0%, respectively; the total metabolic energy consumption of the related lower limb muscles decreased by 15.5% in a single gait cycle. The research results can provide a theoretical basis for the optimal design of unpowered lower-limb exoskeleton with low metabolic energy consumption.
收稿日期: 2020-04-17 出版日期: 2021-12-28
:  TH 112  
基金资助: 国家重点研发计划资助项目（2018YFC2001404）；深圳市基础研究学科布局项目（JCYJ20170818163505850）；广东特支计划项目（2019TQ05Z735）
通讯作者: 赵国如（1980—），男，河北承德人，研究员，博士，从事穿戴式医学传感与健康监测、步态康复评估及老龄健康增强机器人等研究， E-mail：gr.zhao@siat.ac.cn，https：//orcid.org/0000-0001-9348-9236     E-mail: gr.zhao@siat.ac.cn
作者简介: 王永奉（1984—），男，湖北黄冈人，讲师，博士，从事并联机器人、踝关节康复机器人和可穿戴防护设备研究，E-mail： wyf841023@126.com，https：//orcid.org/0000-0001-9079-6054；
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引用本文:

王永奉, 赵国如, 孔祥战, 郑凯, 李光林. 肌力协同补偿的无动力下肢外骨骼设计与分析[J]. 工程设计学报, 2021, 28(6): 764-775.

WANG Yong-feng, ZHAO Guo-ru, KONG Xiang-zhan, ZHENG Kai, LI Guang-lin. Design and analysis of unpowered lower-limb exoskeleton with muscle strength synergistic compensation. Chinese Journal of Engineering Design, 2021, 28(6): 764-775.

链接本文:

https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/10.3785/j.issn.1006-754X.2021.00.080    或    https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/Y2021/V28/I6/764

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