肌力协同补偿的无动力下肢外骨骼设计与分析

王永奉; 赵国如; 孔祥战; 郑凯; 李光林

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肌力协同补偿的无动力下肢外骨骼设计与分析

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无动力外骨骼具有质量小、代谢能耗低、基本不改变正常步态、无需外动力源和可持续工作时间长等优点,已逐渐成为新型外骨骼领域的研究热点.为提升常规无动力下肢外骨骼对步态能量的利用效率,设计了一种肌力协同补偿的无动力下肢外骨骼.首先,通过建立人体下肢动力学模型分析了行走过程中下肢能量的变化规律,得到了步态能量的储存与释放机理;然后,结合设置代起止点的折线路径及肌力贡献度,制定了关节肌肉的肌力协同补偿路径;最后,基于踝、髋关节的刚度设计了弹性储能元件,构建了一款无动力柔性下肢外骨骼,并利用OpenSim软件分析了有无穿戴外骨骼时人体下肢相关肌肉在行走过程中的代谢能耗.结果表明,在穿戴无动力下肢外骨骼时,比目鱼肌、腓肠肌和胫骨前肌的代谢能耗分别降低了31.5％,34.7％和40.0％,股直肌、阔筋膜张肌和缝匠肌的代谢能耗分别降低了36.3％,7.0％和5.0％;单个步态周期内下肢相关肌肉的总代谢能耗降低了15.5％.研究结果可为低代谢能耗的无动力下肢外骨骼的优化设计提供一定的理论依据.

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来源
《工程设计学报》 |2021年第6期|764-775|共12页
作者
王永奉; 赵国如; 孔祥战; 郑凯; 李光林;
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作者单位

湖北理工学院智能输送技术与装备湖北省重点实验室湖北黄石 435003;

中国科学院深圳先进技术研究院人机智能协同系统重点实验室广东深圳 518055;

中国科学院深圳先进技术研究院人机智能协同系统重点实验室广东深圳 518055;

北京理工大学机电学院北京 100081;

中国科学院深圳先进技术研究院人机智能协同系统重点实验室广东深圳 518055;

中国科学院深圳先进技术研究院人机智能协同系统重点实验室广东深圳 518055;

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原文格式 PDF
正文语种 chi
中图分类机构学;
关键词
无动力下肢外骨骼; 步态能量; 代谢能耗; 肌力协同补偿;

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