47、新型下肢康复外骨骼与轮椅结合系统的设计与研究

新型下肢康复外骨骼与轮椅结合系统的设计与研究

1. 研究背景与目标

下肢外骨骼能够帮助下肢残疾人士站立和行走，市面上已有一些商业化的外骨骼机器人，如 HAL、ALEX、Indego、Ekso、ReWalk 等，它们具备辅助残疾人站立和行走的功能。然而，这些外骨骼在患者独立行走时无法提供足够的稳定性，长时间的步态训练会导致患者过度疲劳且难以保持平衡。

为解决这些问题，我们设计了一种下肢康复外骨骼与轮椅相结合的系统。该系统既能满足长时间步态训练的需求，又能让患者坐下休息，还能帮助用户在无需拐杖的情况下稳定地起身和坐下。

2. 机构设计

2.1 下肢外骨骼机构设计

2.1.1 整体机构设计

下肢康复外骨骼与轮椅结合的系统是一种可穿戴机器人系统，适用于下肢无力或残疾的患者。外骨骼的结构应根据人体下肢的解剖结构进行设计。

从人体解剖学角度来看，人体模型上设置了三个相互垂直的参考平面和参考轴。基于人体运动学，每条下肢有 8 个自由度（DOF），包括 3 个髋关节、2 个膝关节和 3 个踝关节。考虑到人体下肢在矢状面上的运动在步态行走中起着重要作用，我们仅确定了髋关节、膝关节和踝关节在矢状面上的自由度。人体下肢关节在矢状面上的运动角度范围如下表所示：
| 关节 | 自由度 | 人体运动范围 |
| ---- | ---- | ---- |
| 髋关节 | 伸展/弯曲 | 120°/30° |
| 膝关节 | 伸展/弯曲 | 10°/140° |
| 踝关节 | 跖屈/背屈 | 50°/30° |

根据人体步态分析，行走时的步态运动呈现