Abstract ：

To achieve the purpose of relieving the joints pressure of human walking, reducing the joint burden and assisting human walking, this paper proposed a hip-knee coupling passive energy storage assistance exoskeleton design scheme based on the principle of human walking. The hip-knee coupling mechanism was used to achieve discrete knee joint assistance, which was a clutch control method to control knee joint assistance by hip joint motion. In this paper, the effectiveness of this exoskeleton was verified using simulation and experimental validation methods. First, a joint simulation of the human-machine model using Adams was used to verify the theoretical effect of the exoskeleton on the human body assistance. In the actual wearing experiment, the real effectiveness of the exoskeleton was verified by comparing the energy consumption during human movement with and without the exoskeleton. By comparing the simulated and wearing experimental data, it is approved that the exoskeleton can reduce the energy consumption of human movement by 12% - 13% . © 2024 Beijing University of Technology. All rights reserved.

Keyword ：

eoskeleton hip and knee coupling passive Adams simulation energy storage human energy consumption test

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Abstract ：

为了达到缓解人体行走时的关节压力,减轻关节负担和辅助人体行走的目的,基于人体行走原理提出了髋膝耦合被动式储能助力外骨骼设计方案。髋膝耦合机构用于实现膝关节的离散化助力,是以髋关节运动控制膝关节助力的离合控制方法。该文运用仿真和实验验证的方法验证了该外骨骼的有效性。运用Adams对人-机模型进行联合仿真,验证外骨骼对人体助力的理论效果。在实际穿戴实验中,通过对比是否穿戴外骨骼人体运动时的能耗来验证外骨骼的真实有效性。对比仿真与穿戴实验数据证明该外骨骼能够降低12%～13%的人体运动能耗。

Keyword ：

人体耗能测试 髋膝耦合 被动式 储能 外骨骼 Adams仿真

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随着国防装备发展及人口老龄化加剧，战场士兵、部队后勤及老年人口等对下肢柔性外骨骼的需求急剧升高，进而研制了穿戴性好、人机相容性高、助力性能优的便携式踝助力外衣系统。基于踝关节生理特征与人体下肢参数，对踝助力外衣本体和驱动单元进行工效学设计和实物研制，并将驱动单元放置于腰部，尽可能降低小腿和足部的附加质量。基于踝关节生物力矩特征，建立期望辅助力模型，采用实验测量的办法，获得助力外衣及局部软组织的系统刚度，将期望辅助力模型转换为驱动单元的位移模型。基于人体下肢步态的周期性，设计以迭代学习控制算法为核心的控制器，通过迭代学习历史时刻的输出误差，对期望辅助力模型进行不断追踪。为评估助力外衣的助力效果，通过测量穿戴者的跖屈肌肉群肌电信号，分析肌肉激活程度和疲劳变化：在踝助力外衣的辅助下，不同行走速度的肌肉激活程度均明显下降，以腓肠肌外侧变化最为显著，腓肠肌内侧肌肉激活程度平均下降了9.62%±1.12%；平均功率频率和中位频率的变化斜率绝对值均得到一定程度的下降，肌肉疲劳速率下降、疲劳程度降低，进而下肢行走耐力增强。

Keyword ：

性能评估 肌电信号 柔性外骨骼 迭代学习控制 踝关节助力

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本发明涉及外骨骼技术领域，特别涉及一种基于足部碰撞势能的外骨骼助行装置及方法，包括腰部支撑机构，用于人体腰部连接，设有承担重物的腰部背板；髋关节机构，安装在所述腰部支撑机构上；大腿机构，与所述髋关节机构旋转连接；膝关节机构，具有与所述大腿机构连接的异型回转组件，所述异型回转组件铰接有膝关节储能机构连接件；小腿机构，与所述膝关节机构旋转连接；鞋套机构，跟随足部一起运动，包括用于放置脚跟的上鞋套组件以及设于其下方并用于触地的触地鞋套组件；本发明基于足部碰撞势能的外骨骼助行装置，不局限于单一关节的助力，能够安全有效地收集足部碰撞势能并通过储能元件在支撑腿离地时将收集的能量助力膝关节和大腿运动。

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通过提出一种准被动式储能下肢外骨骼的设计和分析,以缓解关键承载关节的负担,并且辅助人体行走.结合人体步态规律,采用串联弹性储能部件的方法实现在被动式的跟随人体运动的过程中进行能量的存储,达到节省人体能量消耗的目的.根据人体髋、膝关节在正常步态中的受力变化情况,通过设计相应的髋关节自适应系统和膝关节变刚度系统,并基于三态的能量控制策略来实现下肢外骨骼在支撑状态和摆动状态之间的柔顺切换.最终在不妨碍人体正常行走的前提下,实现行走助力.

Keyword ：

自适应 变刚度 机械设计 准被动式 下肢外骨骼 储能装置

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本发明涉及一种含柔性关节的下肢康复外骨骼机构，该下肢康复外骨骼机构包括：髋关节支撑组件、左腿外骨骼系统和右腿外骨骼系统；所述左腿外骨骼系统和右腿外骨骼系统中的任一包括：引入柔性关节的髋关节驱动装置、髋关节被动转动组件、大腿伸缩组件、引入柔性关节的膝关节驱动装置以及小腿伸缩组件；柔性关节的引入使该下肢康复外骨骼机构具有柔弹性，髋关节被动转动组件、大腿伸缩组件以及小腿伸缩组件能根据不同患者的身形尺寸进行调节；同时，在引入柔性关节的髋关节驱动装置和膝关节驱动装置的相互配合下，能辅助人体下肢实现相应的运动。通过上述方式，本发明能够支撑人体的下肢并为腿部摆动伸屈提供动力，且整体结构具有柔顺性和通用性。

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本发明公开了一种髋膝耦合的被动型储能助力外骨骼，包括腰部支架、髋关节储能装置、膝关节储能装置、小腿支架、腰带、大腿绑带、小腿上绑带和小腿下绑带；腰带与大腿绑带之间设置有髋关节储能装置，腰带与髋关节储能装置通过腰部支架连接；大腿绑带和小腿上绑带之间有膝关节储能装置，髋关节储能装置与膝关节储能装置之间有髋膝关节顶杆上下移动，并有髋膝关节连接杆将髋关节储能装置和膝关节储能装置连接起来；小腿上绑带和小腿下绑带之间有小腿支架，本发明在人体运动过程中，通过髋膝关节配合，使得髋关节储能装置和膝关节储能装置在合适的时机储存能量，并使整个设备与人体步态相协调，帮助人体行走，提高了能量利用率。

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穿戴式柔性下肢助力机器人技术在康复医疗、助老助残、生活起居等方面具有广阔的应用前景,具有质量轻、体积小、可穿戴性强、人机相容性好等优势.为促进我国柔性下肢助力机器人的研究和发展,总结国内外在该领域的研究进展,阐述了多种助力系统的组成、驱动原理和运动学信息等,分析了各助力系统的辅助力/矩传递规律及其助力效果.同时,对柔性下肢助力机器人所涉及的安全与可靠性、步态检测技术、驱动方式及控制策略、助力性能评估等关键技术进行了分析.在总结研究成果及分析关键技术的基础上,指出柔性下肢助力机器人今后的发展方向、研究思路和面临的挑战.对于柔性下肢助力机器人及相关的研究工作,具有一定的指导意义.

Keyword ：

穿戴设备 外骨骼 髋关节 柔性下肢助力机器人 下肢步态

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本发明属于生物机械工程领域，旨在解决现有辅助掌指关节内收外展和屈曲伸展运动手指康复机器人不能实现人机关节的自适应对齐的问题，具体涉及一种具有内收外展和屈曲伸展的手指康复外骨骼机器人，包括三组驱动组件、掌指关节传动组件和近端关节传动组件；掌指关节传动组件中的内外驱动绳轮在第一驱动组件的驱动下可控制人手的内收外展运动；掌指关节传动组件中的第一、第二固定绳轮在第二驱动组件的驱动下可控制近端指骨的屈曲伸展运动；近端关节传动组件在第三驱动组件的驱动下可控制中段指骨的屈曲伸展运动；通过本发明可实现内收外展以及屈曲伸展运动的康复机器人的人机关节的自适应对齐，同时可有效消除人机之间产生的关节机械应力。

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下肢外骨骼机器人是旨在帮助患有步行障碍的人重新获得腿部和关节的力量,以实现站立和行走等功能的可穿戴设备。与包含刚性机构的传统机器人相比,具有柔顺特性的下肢外骨骼机器人能在被动式弹性元件中储存和释放能量,同时最大限度地减少由于冲击引起的反作用力,提高人机交互的安全性。本文从驱动柔顺和关节柔顺两方面对下肢外骨骼机器人柔顺特性进行综述,分类介绍增强型、辅助型、康复型下肢外骨骼机器人,并对该领域未来发展趋势进行展望。

Keyword ：

关节柔顺 驱动柔顺 柔顺特性 下肢外骨骼机器人

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