人體負重下肢助力機械外骨骼結構設計與運動學仿真

謝哲東，向美琦，姜立民

（吉林農業大學工程技術學院，吉林 長春 130118）

1 引言

機械外骨骼是一種穿戴式的，能夠與人體結構聯動并協調控制的人機一體化智能系統，涉及機械設計、人體仿生、傳感器、機電控制和信息處理等多項技術[1]，它實現了人的智能與機械力量的結合，可以為人體運動提供助力，減輕人體疲勞，在軍事和醫療領域都有所應用。

目前，日本和美國對外骨骼機械的研究早已走在世界前列，日本筑波大學在2002 年就研制了機器人裝混合助力腿-HAL[2-4]，美國伯克利大學機器人和人體工程實驗室也在2004 年研制出美軍下肢外骨骼-BLEEX[5-7]。而我國在2004 年后才開始涉足，總體研究水平與國際研究水平存在較大差距。所以進行機械外骨骼相關技術的研究，為加快我國外骨骼技術的發展具有重要意義。

為減輕人體勞作負擔，提出并設計了一種適用于人體負重情況的下肢助力機械外骨骼。機械裝置的助力主要體現在兩個方面：（1）把裝置作為人體外的另一套骨骼系統，和人體共同分擔負載，以此來減輕人體承重。（2）裝置可以模仿人體步態，為人體行走提供助力。

2 結構設計

2.1 設計方案

機械外骨骼應該具備以下特征：能夠支撐身體，同時具備其他各式姿態；具備運動輔助功能；具備環境感知功能，協調配合人體運動和保護身體的功能。所以，人體負重助力下肢機械外骨骼除了能夠滿足穿戴和行走的基本需求外，還應達到以下幾個要求：

（1）安全性：外骨骼的運動與人體運動協調共處，二者不能發生沖突，外骨骼的重要關節應具備自鎖性，防止對人體造成傷害。……