14、静态平衡辅助设备的设计

静态平衡辅助设备的设计

1. 外骨骼与矫形器简介

外骨骼和矫形器作为康复设备的子类，是用于复制人体机械和/或机电（机电一体化）功能的设备。它们的主要作用包括康复治疗、提供支撑、增强人体肌肉骨骼系统功能以及对其进行限制。当这些设备叠加在人体上时，便形成了生物力学（生物机电一体化）系统，且大多在静态和准静态模式下运行。

2. 系统的静态平衡

对于具有单自由度（1 - DOF）的机械系统的重力平衡，可以采用以下两种方法：
- 摆动连杆与末端质量法 ：使用摆动连杆，并在其自由端设置一个等效质量（可参考相关模型）。
- 圆柱拉伸弹簧连接法 ：采用圆柱拉伸弹簧的三角形连接方案。静态平衡是基于系统连杆上作用力矩的平衡条件来实现的。

2.1 不平衡力矩的表达

不平衡力矩 $M_u$ 可表示为：
$M_u = M_{g1} + M_b$
其中，$M_{g1}$ 是重力矩，$M_b$ 是弹簧的平衡力矩。

为消除不平衡力矩，需满足以下条件：
$[m_1s_1 + m_2Ar + m_3l_1]g \sin \phi - F_Sl_{OB}r \sin \phi/l_S = 0$
这里，$m_1$ 是大腿和复制连杆 1 的总质量，$l_1$ 是连杆 1 的长度，$\phi$ 是连杆 1 的定位角度，$r = l_{OA}$ 是点 A 到点 O 的距离，$l_{OB}$ 是点 B 到点 O 的距离，$l_S = l_{AB}$ 是平衡弹簧的当前长度，$\psi$ 是平衡弹簧的定位角度，$m_2$ 是平衡弹