基于SolidWorks仿真技术的下肢外骨骼助力系统设计

0 引言

    外骨骼式机器人是一种可穿戴式的仿生机器人，它具有为使用者提供支撑、保护和助力等功能。下肢外骨骼助力机器人是一种可穿戴式下肢助力装置，根据人机结合的拟人化思想设计，模拟人体下肢步态运动过程，帮助搬运作业人员省力。

    本文对自行设计的下肢外骨骼助力系统进行了运动机理分析，并应用进行了结构仿真，以验证机械结构的实用性和合理性。

1 机械结构

    本下肢外骨骼机械部分从下到上依次由脚踏板、踝关节、膝关节、髋关节、大腿旋转结构和腰部结构组成。机械外形图如图1所示，每一部分结构设计都经过了强度校核计算。

2 人体运动分析

    为了使整套外骨骼系统能够更好的与人体配合协作，适应各种形式的人体运动(正常步行，上下楼梯，蹲下起立），提供稳定、高效、可靠的持续助力，所以需要在外骨骼的控制系统中植入一整套完善的人体运动参数。由此，我们弓进OpenCV技术，对采集到的视频输入中的人体运动进行处理，通过对整个人体运动过程进行跟踪，分割，再结合CGA人体运动参数估计，最终得到我们所需要的人体运动分析。

2 . 7 步行周期

    人在步行过程中，从一侧脚跟着地开始，一直持续到同侧脚跟再次着地为止，这整段过程所用的时间称为一个步行周期。在一个步行周期内，该侧下肢需要经历两个阶段，即有地面支撑阶段和空中摆动阶段。因此，一个完整的步行周期可以被分为支撑期和摆动期，也称为支撑相和摆动相。

2 . 2 支撑相

    在一个步行周期内，从一侧后脚跟着地到该侧前脚趾离地的整个过程称为支撑相，支撑相占据了整个步行周期60%的时间，在此时间内完成了从后脚跟着地到前脚趾离地的整个动作，其中包括了后脚跟着地、全脚掌着地、后脚跟离地和前脚趾离地几个细分过程，分别对应的是开始站立期、预承重期、站立中期和站立末期4个时期。

2 . 3 摆动相

    在一个步行周期内，从一侧前脚趾离地到该侧后脚跟再次着地的整个过程称为摆动相，摆动相占据了整个步行周期40%的时间，在此期间内下肢在空中摆动，不与地面发生接触，从加速运动到减速运动，因此，摆动相又可以细分为摆动前期、摆动初期、摆动中期和摆动末期。

3 Simulation分析

3 . 1 大腿装配体仿真分析