28、下肢外骨骼的机械设计与控制技术解析

下肢外骨骼的机械设计与控制技术解析

1. 外骨骼的选择性顺应设计

外骨骼的设计需要考虑多种因素，以确保其能够适应不同用户的需求和人体的自然运动。选择性顺应设计是其中一个重要的方面，它主要包括为适配而进行的选择性顺应和为被动自由度进行的选择性顺应。

为适配而进行的选择性顺应方面，例如某款脚踝外骨骼的小腿支柱顶部能够向腿部靠近或远离弯曲，以适应不同直径的腿部。这些支柱在额状面较薄，便于弯曲；而在矢状面较宽，以确保在施加较大力的方向上具有刚性。

为被动自由度进行的选择性顺应方面，生物脚踝主要在跖屈/背屈方向活动，但也能进行旋转和滚动。CMU 脚踝外骨骼仅辅助跖屈，采用简单的枢轴关节，但通过鞋子、脚跟绳、绑带和支柱的顺应性，仍允许脚踝自由滚动。脚跟绳的高顺应性对于允许脚踝内翻和外翻特别有用，不过脚踝的旋转仍受到一定限制。

2. 关节设计

关节设计在下肢外骨骼中起着关键作用。简单的枢轴关节具有重量轻和功能实用的特点，因为它们简化了连接和传感。例如，对于只有 1 个自由度的膝关节外骨骼，很大程度上可以依靠小腿绑带来防止整个结构沿腿部下滑。然而，如果更复杂的关节允许外骨骼的大腿和小腿部分之间发生平移，小腿绑带就无法支撑大腿部分。更多的自由度需要更好的绑带设计。

此外，许多控制策略需要实时测量关节角度，将编码器连接到枢轴关节是最容易实现这一测量的方法。

在关节设计中，有意在无辅助方向上设计结构顺应性，可以使简单的关节设计变得有效。生物关节复杂且具有多个自由度，但如果软组织、绑带和外骨骼结构具有足够的顺应性，机械关节可能不需要明确处理每个自由度。然而，如果外骨骼及其与用户的接口都非常僵硬，生物关节在无辅助自由度上的