50、助力行走与抓握：外骨骼系统的创新设计与应用

助力行走与抓握：外骨骼系统的创新设计与应用

1. 脚踝外骨骼系统的设计与原理

脚踝外骨骼系统在助力行走方面发挥着重要作用。其设计基于生物力学原理，通过特定的结构和机制实现对脚踝的有效辅助。
- 结构连接 ：该系统的鲍登线远端与脚跟的固定锚相连，近端护套则附着在小腿绑带的浮动锚上。执行器通过压缩鲍登线，将机械力传递到脚踝。
- 人机耦合运动学模型 ：通过下肢生物动力学机制，建立了人体踝关节与脚踝外骨骼的耦合关系。具体而言，脚踝外骨骼滑轮的角位置 (q_a) 与踝关节的角位置 (\theta_a) 存在几何联系，可用公式 (R_P(q_a - q_{a0}) = r_a(\theta_a - \theta_{a0})) 表示。其中，(R_P) 为滑轮半径，(q_a) 是伺服电机的输出角度，(q_{a0}) 是伺服电机的初始位置，(r_a) 是踝关节旋转中心与同一脚跟固定锚之间的距离，(\theta_a) 是踝关节的跖屈角度，(\theta_{a0}) 是踝关节跖屈的初始角度。经过变换，可得到踝关节的运动学模型 (\theta_a = \frac{R_P}{r_a}(q_a - q_{a0}) + \theta_{a0})。

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符号	含义
(R_P)	滑轮半径
(q_a)	伺服电机输出角度