截瘫助行外骨骼髋关节离合式弹性驱动器

摘要

外骨骼能够帮助截瘫患者行走和康复训练。动力助行外骨骼对患者自身的肌肉力量要求较低,但其驱动电机尺寸、重量较大;无动力储能助行外骨骼不需要电机,但对患者的肌力有一定要求,长时间行走容易导致患者疲劳。该文结合两者优势,设计了一种基于棘轮棘爪机构的离合式弹性驱动器,作为助行外骨骼机器人的髋关节驱动器。在支撑期,截瘫患者依靠自身肌力和拐杖转移重心,同时电机将能量储存在扭簧里;在摆动期,已充分储能的扭簧迅速释放能量帮助患者向前迈腿。该文建立了驱动器在支撑期(扭簧储能)和摆动期(扭簧释能)的动力学模型,并以峰值功率为优化目标,优化参数包括电机角加和减速度。仿真结果显示,对比直接用电机和减速器驱动患者髋关节,该驱动器可显著减小电机平均功率和峰值功率,因此可以通过离合式弹性驱动器特殊的设计,选用额定力矩和功率低的小电机,达到减小电机、关节驱动器乃至外骨骼整体结构的尺寸和重量的目的。