外骨骼是类似于昆虫体外骨骼的新型机械助力装置，旨在帮助人们扩展其下肢部位的运动能力，可帮助单兵增加负重能力，增强救灾、防爆人员运动能力，以及帮助老人、残疾人提高自主生活能力等。其基本思想是模拟人体骨骼框架，将载重通过外骨骼传递至地面，以减轻人体对负重的承载。
      外骨骼的研究是一个多学科交叉的难题，涉及仿生、液压、传感、控制以及结构材料等诸多领域。目前，国内对外骨骼的研究大多基于控制领域，对外骨骼机械结构的研究较少，而外骨骼机械结构设计的合理与否直接决定了整个系统性能的优劣。因此，本文对于外骨骼机械结构的设计研究以及分析具有实用意义。
      人体负重外骨骼作为一种人机一体化系统，在人行走过程中，其穿戴性和舒适性是首要考虑的问题。为设计出穿着舒适的外骨骼，必须依照一个重要的原则—拟人化。因此，在对外骨骼机械结构进行设计之前，首先要对人体下肢的生理结构和运动机理进行深入研究，并根据人体下肢行走时各个关节的运动特征设计合理自由度和活动范围。
      人体下肢步行运动序列是对动态步行在时间序列上的划分，是研究步行特征的基础理论。只有清楚分析人体下肢的运动规律，才能进一步设计下肢的关节自由度。人体的行走是其下肢的循环运动，一个完整的循环周期成为一个跨步。一个跨步包括支撑相和摆动相。
      摆动相期间只有一条腿接触地面，另一条腿摆动，它从一只脚离开地面开始到同只脚与地面发生碰撞结束。在人类行走中，摆动相占跨步时间的80%～90%；支撑相是两条腿同时接触地面的时期，人类行走时这一阶段只占跨步周期10%～20%。对整个跨步的分析耗费资源比较大，故选取步态中的两个临界点作为计算工况进行静力学有限元分析。
      从机构学角度来看，下肢骨骼运动链表现为以旋转运动为主的串并联混合结构。根据下肢的运动形式不同，表现为不同的运动链形式。考虑到各个关节的活动，本文将人体下肢的运动定位为7个自由度。
      外骨骼的运动学接近人腿运动学，故外骨骼关节的活动范围通过研究人体关节的活动范围来决定。至少外骨骼关节的活动范围在行走过程中要等于人体关节的活动范围，这可以通过检查临床步态分析(clinical gait analysis，CGA)数据来发现。出于安全的要求，外骨骼的活动范围不宜超过操作者的活动范围。表列取了外骨骼的活动范围，一般情况下，这一活动范围要大于人在行走时的活动范围而小于人的最大活动范围。
      机械结构设计是人体外骨骼开发过程的第1步，也是整个系统良好运行的前提，机械结构的好坏将是决定人体外骨骼运行和功能实现的关键因素。根据人体下肢生物学结构特征和步态分析，在设计外骨骼机械结构方案时，主要需要遵循以下3个原则：
      (1)机械机构要具有人体下肢运动的主要自由度，以满足正常人步态规律的要求；
      (2)机械结构尽量减小人体与外骨骼的直接接触面和相互干扰，达到减小对人体限制的目的；
      (3)在满足最大负载时强度和刚度的条件下，要保证外骨骼在结构设计上尽量简单紧凑，轻巧舒适。
      对外骨骼机械结构进行设计，首先必须要了解外骨骼的传力机制与力学原理，包括外骨骼在不同步态情况下的受力特征。
      在人体步态进行分析后，选取双腿站立、左脚尖离地和胫骨竖直临界点作为计算工况。由于双脚站立和左脚尖离地情况类似，故最终将双腿站立和胫骨竖直临界点作为计算工况。

                                                                                专业从事有限元分析公司│有限元分析│CAE分析│FEA分析│技术服务与解决方案
                                                                                                                                                      杭州那泰科技有限公司
                                                                              本文出自杭州那泰科技有限公司www.nataid.com，转载请注明出处和相关链接！