基于人体自供能的下肢柔性助力外骨骼的原理及设计方法研究

Lower-limb exoskeleton is a legged mechanical system, worn in human lower extremity, to improve his load capability, or to assist his walks, which has wide application in long-distance walking or rehabilitation. Research on lower-limb exoskeleton has large progress in recent years, however, there are still room to improve their performance, including: the kinematic mechanism by mimicking the movement of human lower-limb, the power supply for long-time use, as well as the volume and the weight. The main content in this proposed project includes: (1) to bring forward a flexible lower-limb exoskeleton with fixation components and tensile wire to partially replace the function of lower-limb for human metabolic energy reduction; (2) to investigate the method on converting part of mechanical work by lower limb into electricity, and the equivalent damping from the energy conversion to partially replace the damping function of tendons and muscles in lower limb; and (3) to put forward a new design and optimization method for self-powered flexible lower-limb exoskeleton. This study could improve the design ability of lower-limb exoskeleton, and promote their practical application.

下肢外骨骼是一种并联穿戴于使用者下肢的腿形机械系统，可提高穿戴者的负重能力，也可以辅助人的行走或康复训练，因而在野外长途步行作业和下肢康复等方面具有广泛应用。下肢外骨骼研究近几年来取得长足进展，然而在仿肢体运动的机构设计、长时间续航的电源供应、以及体积和重量等方面依然存在显著不足。本项目研究基于人体自供能的下肢柔性助力外骨骼的原理和设计方法，主要内容有：(1)提出利用“定位部件固定－张力绳索连接”的柔性外骨骼装置部分代替下肢做机械功以减少人体生物能消耗的原理及其实现方法；(2)研究利用柔性外骨骼中的机电转换模块将捕获的部分机械功转换为电能、并以机电转换所产生的阻尼部分代替下肢肌腱阻尼的原理及其实现方法; (3)提出可方便穿戴的柔性外骨骼的设计理论及优化方法。本项目的开展将对提升我国在下肢助力外骨骼机器人的研究及开发设计能力、推进下肢助力外骨骼的进一步实用化，具有较重要的理论意义和实际价值。

下肢外骨骼是一种并联穿戴于使用者下肢的腿形机械系统，可提高穿戴者的负重能力，也可以辅助人的行走或者康复训练，因而在野外长途步行作业和下肢康复等方面具有广泛的应用。下肢外骨骼研究近几年来取得长足进展，然而在仿肢体运动的机构设计、长时间续航的电源供应、以及体积和重量等方面依然存在显著不足。本项目研究基于人体自供能的下肢柔性助力外骨骼的原理和设计方法，主要研究内容有：(1)提出利用“定位部件固定－张力绳索连接”的柔性外骨骼装置部分代替下肢做机械功以减少人体生物能消耗的原理及其实现方法；(2)研究利用柔性外骨骼中的机电转换模块将捕获的部分机械功转换为电能、并以机电转换所产生的阻尼部分代替下肢肌腱阻尼的原理及其实现方法; (3)提出可方便穿戴的柔性外骨骼的设计理论及优化方法。项目发表11篇SCI收录论文，其中JCR一区论文9篇；申请专利8件，授权5项；国内外学术会议宣读成果4次。培养博士研究生1名、硕士研究生4名。