人体负重下肢助力机械外骨骼结构设计与运动学仿真

谢哲东，向美琦，姜立民

（吉林农业大学工程技术学院，吉林 长春 130118）

1 引言

机械外骨骼是一种穿戴式的，能够与人体结构联动并协调控制的人机一体化智能系统，涉及机械设计、人体仿生、传感器、机电控制和信息处理等多项技术[1]，它实现了人的智能与机械力量的结合，可以为人体运动提供助力，减轻人体疲劳，在军事和医疗领域都有所应用。

目前，日本和美国对外骨骼机械的研究早已走在世界前列，日本筑波大学在2002 年就研制了机器人装混合助力腿-HAL[2-4]，美国伯克利大学机器人和人体工程实验室也在2004 年研制出美军下肢外骨骼-BLEEX[5-7]。而我国在2004 年后才开始涉足，总体研究水平与国际研究水平存在较大差距。所以进行机械外骨骼相关技术的研究，为加快我国外骨骼技术的发展具有重要意义。

为减轻人体劳作负担，提出并设计了一种适用于人体负重情况的下肢助力机械外骨骼。机械装置的助力主要体现在两个方面：（1）把装置作为人体外的另一套骨骼系统，和人体共同分担负载，以此来减轻人体承重。（2）装置可以模仿人体步态，为人体行走提供助力。

2 结构设计

2.1 设计方案

机械外骨骼应该具备以下特征：能够支撑身体，同时具备其他各式姿态；具备运动辅助功能；具备环境感知功能，协调配合人体运动和保护身体的功能。所以，人体负重助力下肢机械外骨骼除了能够满足穿戴和行走的基本需求外，还应达到以下几个要求：

（1）安全性：外骨骼的运动与人体运动协调共处，二者不能发生冲突，外骨骼的重要关节应具备自锁性，防止对人体造成伤害。……