王嘉鑫 桂熙汶 彭思逸 周明洋

摘要：機械外骨骼的設計，主要利用自動化及智能控制技術，為人體打造助力裝置。人體負重下肢助力機械外骨骼的應用，則是為人體下肢活動提供支持，在調節平衡和控制步態的基礎上，增強負載能力，讓人體在負重狀態下的下肢活動更加輕松、便捷。基于此，本文圍繞著人體負重下肢助力機械外骨骼結構設計進行分析，探討機械外骨骼的優越性，明確設計要點，根據人體下肢活動的特點，科學、合理的進行設計，進而完善機械外骨骼功能，人體可以更加舒適、安全的穿戴。

關鍵詞：人體負重;下肢助力機械外骨骼;機械結構設計

前言：

機械外骨骼是可穿戴在人體上的機械裝置，能夠聯動身體結構，為肢體運動提供動力和能量，同時起到防護性的作用。機械外骨骼的應用，在機械力量的支持下，可以有效減輕人體的負擔，同時達到緩解疲勞的作用。人體負重下助力機械外骨骼的應用，能夠作為人體外骨骼系統，助力下肢活動，既可以減輕人體承重，還可以模仿人體步態，為行走提供支持。下肢助力機械外骨骼的結構設計中，應該考慮到人體穿戴、行走的實際需求，同時可以保障其安全性、協調性與適用性。

1.機械外骨骼的結構設計

1.1設計要點

人體負重下肢助力機械外骨骼的結構設計，需要基于人體解剖學知識，具體了解人體下肢生理結構特點（骨骼結構、人體尺寸結構、關節運動特性），明確機械外骨骼在支撐身體、輔助和協調運動、感知環境以及保護身體等方面的功能，制定合理的設計方案。該過程中，應該注重安全性問題，需要保證機械外骨骼與人體下肢關節的運動相互協調，避免相互沖突，防止對人體形成傷害。人體下肢結構自由度以及各關節的運動范圍，對于機械外骨骼結構設計具有重要的參考價值。根據人體的髖、膝、踝等關節活動（旋內、旋外、內收、外展等）的自由度，確定其角度變化范圍，進行機械外骨骼的結構設計，機械結構的運動范圍應該控制在人體關節的運動范圍內。在穿戴機械外骨骼時，可以充分保障肢體、關節的安全活動[1]。

根據人體下肢的尺寸參數（大腿長度、小腿長度、踝高等），進行機械外骨骼的結構設計，使機械外骨骼與人體下肢相互協調，能夠給予穿戴者舒適的體驗。將機械外骨骼設計為簡潔、輕便的機械裝置，避免其過于繁重，滿足適用性的要求。選擇機械外骨骼材料的過程中，應該考慮材料的力學性能（拉伸強度、屈服強度、延伸率、彈性模量、硬度、泊松比、密度等）、抗腐蝕性，建議選擇強度高、質量輕的合金材料進行機械外骨骼的制作。

1.2各關節結構設計

在下肢助力機械外骨骼中，背負機構由圍腰裝置和負重裝置組成，主要起到減輕負載的作用。下肢機構由運動裝置組成，通過對大腿桿、小腿桿的驅動控制，為大腿、小腿運動提供支撐和輔助，協調機械外骨骼與下肢的運動。足部機構則是利用傳感器，根據足底壓力變化情況，模擬、記憶人體下肢活動，進而對機械外骨骼運動進行調節和控制，能夠與人體運動相互協調。下肢助力機械外骨骼各關節結構設計中，應該充分考慮到人體髖、膝、踝等關節的活動特點。在髖關節結構設計中，需要具體了解外展/內收、彎曲/伸展兩個方向上的自由度。在外展/內收方向上，確定髖關節外展/內收的旋轉中心，將其設置在腰帶部位，使機械外骨骼與人體下肢能夠相互匹配，消除其誤差，能夠有效調節重心、保持平衡以及控制行走方向。在彎曲/伸展方向上，利用機械外骨骼的限位自鎖功能，限制外骨骼運動的角度范圍，進而控制其運動幅度，可以有效控制步態。

在膝關節結構設計中，需要考慮到膝關節在穩定下肢、緩沖沖擊等方面的功能。利用氣缸驅動大腿桿、小腿桿，在一定的角度范圍內，進行彎曲/伸展運動。利用限位裝置，控制機械外骨骼膝關節部位的轉動角度，保障穿戴的安全性與舒適度。在踝關節的結構設計中，僅保留趾屈/背屈自由度，連接單自由度的鉸鏈。為了將膝關節活動限制在限定在安全的角度范圍內，進行限位設計。在腰帶結構設計中，利用剛性腰帶和柔性腰帶，分別與髖關節、人體腰部進行連接，方便人體穿戴，將機械外骨骼與人體連接成一體，起到協調運動的作用，能夠為力的傳遞與交換提供支持。大腿及小腿連桿結構的設計，對于剛度、強度的有著嚴格的標準和要求，確保其具有良好的承載能力。考慮到機械外骨骼的兼容性，在大腿桿、小腿桿、腰帶等部位，可以將結構尺寸設計為可調節的形式，滿足多種穿戴需求，滿足不同類型穿戴者的需求。

2.運動學模型的建立

人體負重下肢助力機械外骨骼的結構設計過程中，需要建立運動學模型，用于分析機械外骨骼的運動學結構特點。通過步態分析，了解步行周期內的下肢在地面支撐、空中擺動等不同階段的活動特點，得到各關節的角度活動曲線（矢平面），明確各關節角度變化規律，同時掌握大腿桿、小腿桿長度等數據。應用Denavit-Hartenberg分析方法，進行運動學分析。在運動學模型中，人體下肢為兩連桿結構，建立髖關節、膝關節以及換關節的運動坐標系（坐標原點：關節轉動中心），確定關節連桿參數，分析各坐標系之間的相對位姿關系。建立simulink運動學仿真模型根據運動學分析結果，了解機構末端姿態運動軌跡、關節轉角變化曲線，通過對比分析，進行三維動態仿真，能夠進一步得到電機驅動函數、機構末端姿態運動軌跡，分析運動姿態與人體步態是否具有一致性，進而確保人體負重下肢助力機械外骨骼結構設計的合理性[2]。

結論：綜上所述，人體負重下肢助力機械外骨骼的運用，可以有效增強人體的負載能力，能夠在負重狀態下高效、輕松的工作。人體負重下肢助力機械外骨骼的結構設計，需要將保障安全性、提高適用性以及實現人機協調性作為設計要點，根據人體下肢的尺寸參數以及各關節的活動特點，合理進行設計，可以效調節重心、保持平衡以及控制步態。在此基礎上，建立運動學模型，進行運動學仿真和動態仿真，以試驗結果作為參考，判斷人體負重下肢助力機械外骨骼結構設計的合理性與可行性。

參考文獻：

[1]謝哲東，向美琦，姜立民.人體負重下肢助力機械外骨骼結構設計與運動學仿真[J].機械設計與制造，2020（10）：21-24.

[2]陳虹宇.穿戴式下肢復健輔助行走裝置結構優化設計[J].中國設備工程，2020（07）：133-134.