主动柔顺膝关节助力机构设计

韦祖拔　纪平鑫　莫新民

摘 要：为提高助力外骨骼的可穿戴性和柔顺性能，基于双椭圆模型提出了一种主动柔顺的膝关节助力机构，采用平面四连杆机构结合串联作动器的设计方法进行结构设计。与传统单铰链的刚性机构相比，该机构更匹配人体膝关节运动，克服了传统刚性结构容易导致人体运动受限，出现过强的约束力，舒适性不足，人机交互力波动明显的缺点。人机耦合计算结果表明机构与人体的能满足运动学匹配，人机交互波动小，具备较好的可穿戴性能。

关键词：膝关节；下肢外骨骼；主动；柔顺；机構设计

1.引言

膝关节在日常活动中一直受到高强度的载荷，容易疲劳老化，受到损伤。为了增强人体机能，提高人体的耐疲劳度，本文开展外骨骼膝关节助力机构设计。目前，膝关节助力以刚性结构为主，对于穿戴式助力这种“人在环”的特殊系统，刚性结构容易导致人体运动受限，出现过强的约束力，导致舒适性变差，人机交互力波动明显；而主动柔顺助力系统穿戴的主观感受好，对人体的运动范围影响很小，系统更具灵活性，在边防巡逻、城市作战等军事领域和助老助残领域具有很大的应用价值。

本文由膝关节运动机理出发，基于双椭圆模型，提出了柔顺化的膝关节助力机构，采用平面串联四连杆的方案的进行膝关节助力机构的设计，并进行人机耦合计算与分析。结果显示机构与人体运动更贴合，人机交互力波动较小，具备较好的可穿戴性能。……