【摘 要】
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进入21世纪以来,截瘫助行外骨骼的出现打破了截瘫患者只能依赖轮椅的局面,给患者重新行走带来了新的希望,但是现有截瘫助行外骨骼在踝关节的设计上多采用刚性或被动结构,极少对踝关节进行专门的驱动设计,这与健康人在行走过程中踝关节会周期性调节刚度的行为大相径庭,极大影响了外骨骼的整体性能。为此,本文提出一种复现人体踝关节在平地行走不同阶段刚度特性的外骨骼,以改善踝关节刚性结构设计对踝关节运动和功能的限制,
【基金项目】
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国家重点研发计划项目:截瘫助行外骨骼系统关键技术研究及示范应用-人机系统运动协调和平衡控制（2017YFB1302302）；
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进入21世纪以来,截瘫助行外骨骼的出现打破了截瘫患者只能依赖轮椅的局面,给患者重新行走带来了新的希望,但是现有截瘫助行外骨骼在踝关节的设计上多采用刚性或被动结构,极少对踝关节进行专门的驱动设计,这与健康人在行走过程中踝关节会周期性调节刚度的行为大相径庭,极大影响了外骨骼的整体性能。为此,本文提出一种复现人体踝关节在平地行走不同阶段刚度特性的外骨骼,以改善踝关节刚性结构设计对踝关节运动和功能的限制,在维持人体稳定前进的同时减小对地面的冲击。主要工作如下:（1）基于人体踝关节在平地行走不同阶段的刚度特性,搭建能够复现这种刚度特性的外骨骼力学模型,确定外骨骼的传动方案,并以健康人的步态数据作为参考,求解关键构件的特征参数,进而通过三维建模设计外骨骼的机械结构,利用有限元分析校核重要受力构件的强度,保证外骨骼结构的合理与安全。（2）结合健康人的步态数据和外骨骼的力学模型,规划匹配人体踝关节在平地行走不同阶段刚度特性的传动机构位移,进而搭建外骨骼控制系统,通过步态周期起始点及特征关节角度的反馈,调节步态不同阶段的传动机构位移,使外骨骼能够复现人体踝关节在平地行走不同阶段的刚度特性。（3）通过仿真分析穿戴外骨骼会给使用者生理状态带来的变化,确定外骨骼不会给肌肉带来额外负担,然后开展实验验证外骨骼的效果。实验表明,相比于穿戴踝足矫形器,穿戴本文外骨骼时踝关节的角度变化和垂直地面反作用力变化与正常行走时的更相似,说明复现人体踝关节刚度特性的本文外骨骼能够有效改善外骨骼刚性结构设计对踝关节的限制。
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