动力外骨骼的基本设计思路及实现条件

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! V# Z% F* L. H, F& \8 o    在急速发展的现代社会，人们通常都会使用轮式交通工具运载沉重物体，但在实际生活中，有许多地方道路凹凸不平，轮式交通工具难以，由于人腿能适应较复杂路况的优点，使得行走助力装置应运而生。它是一种可以辅助人们行走的人机系统，它将人和两足步行机器人结合在一起，利用人的智能来控制机器人的行走，简化了自主行走式两机器人最为常见的步态规划和步态稳定性问题，同时它又可以提供动力协助人的行走，增强人们行走的能力和速度，缓解人在大负重和长时间行走情况下极易出现的疲劳感，大大扩大人们的运动范围，故可用于军事、科考、旅游、交通等各方面，具有广泛的应用前景。在一些交通已经过于拥堵的城市，下肢步行外骨骼还可以作为一种新型的轻型环保交通工具，可以大大减少城市汽车流量，降低市区的堵车情况，减少城市的汽车尾气污染，减缓城市的停车压力，同时使用者还可以达到锻炼身体的目的。目前，行走助力装置主要应用于两方面：（1）用于负重、长距离行走时进行助力（2）用于老年人或下肢瘫痪者行走时进行助力。行走助力装置的发展借鉴了腿式机器人、仿人机器人的技术和经验，又在结构、控制能力等方面做了深入的研究，经过不断的努力，现已开发出几类行走助力装置，并对相关技术做了深入的探讨，取得了一定的成果。随着社会的发展和生活水平的提高，人们对医疗水平的期望值也越来越高。而医疗水平的高自然依仗医疗器械的更新和改善。对于下肢受伤或有关节肌肉病患的病人来说，克服伤病需要借助适当的医疗器械帮助下肢逐渐恢复正常机能。
    了解人的步态，首先要了解人的下肢骨结构特点及骨关节的运动。通过分析人的下肢骨结构，可知髋关节为球状关节，股骨头和髋臼具有朝各个方面活动能力，从形状来看该关节是个典型的球窝关节，其运动本该相当灵活，但由于它要支持上身体重，所以要求该关节相应牢固。膝关节为滑车—椭圆关节，是人体中最复杂的一个关节。踝关节是滑车关节。人体下肢骨通关节、韧带等连结在一起，才使人能够实现灵活、高效、稳定的步行。大腿在各个面内的运动角度可参阅文献。
    外骨骼与人并联同步行走，从仿生学的角度出发，依据人类下肢自由度为下肢外骨骼设计自由度。髋关节三个自由度，分别实现身体的弯曲/直立，左右的转身，以及大腿的外展/内收。膝关节设置一个自由度，实现小腿与大腿间的弯曲运动，忽略小腿屈曲后的微小的旋转运动。外骨骼踝关节处可设置三个自由度，分别实现脚围绕踝关节的上下转动，外展/内收以及旋转运动。下肢外骨骼每条腿有七个自由度，加之脚上的一个自由度共八个自由度。图4出示了下肢外骨骼理想自由度配置。
$ T! ~' p2 O& J9 f    双足行走具有不稳定性，但是人类却能灵活而稳定地行走，研究人类步行特点从而找出双足步行实现稳定行走的条件，这对研究双足步行机械是必要的一步。前人对此做了大量的研究。
    步态是指在运动过程中，步行者肢体的协调关系。我们总能看到，人行走、跑时双腿交替迈步，支撑点在双足间游戏机模型.3dsource.cn/design/detail/product1-SITE131119190827483.html上身及上肢会左右摇摆以保持平衡。从理论上讲，为了保证双足步行稳定，必须满足南斯拉夫麦沃曼尔.伍科布拉托维奇提出的双足稳定步行理论，他指出：为了保持双足步行的身体平衡,必须保证所承受的所有外力之合力的作用线通过支撑足,并处在支撑足与地面接触的区域内。亦即当ZMP点落在脚板支撑范围之内时，人运动是稳定的。因此可以利用ZMP 点来衡量双足行走的稳定性。