无动力下肢助力外骨骼研究与应用

随着仿生结构设计的创新突破、轻量化制造工艺的成熟普及，以及市场对低能耗、高便携辅助设备的迫切需求，可穿戴无动力式下肢助力外骨骼如今在工业作业、户外探险、日常康复等领域获得广泛关注。
人体增强是机器人学研究领域的一个重要分支，旨在降低人体代谢能耗、延迟疲劳、增加体速等。因此，能量俘获、存储及助力装置成为了当前可穿戴下肢外骨骼设计领域的研究热点。本书旨在不提供额外动力前提下降低人体运动的能量消耗，提出了一种以人机耦合运动一致性和协调性为设计输入，以能量俘获、收集与存储为核心技术，以用户穿戴舒适性和助力感知为评价指标的无动力辅助下肢外骨骼设计及性能评价方法。

本书对多场景步态下人体下肢生物力学特性、静-动态足底压力识别下足部运动机理、人-机耦合运动匹配性与协调性、多关节协同助力外骨骼设计、下肢助力外骨骼性能综合评价等内容开展了系列研究。第1章对目前相关领域研究进行综述。第2章建立了下肢多场景运动实验场景，采集了下肢运动时空数据，借助OpenSim 仿真分析方法，揭示了下肢功能运动的代谢能量消耗规律。第3章为了开发出合理、有效的可穿戴下肢外骨骼产品，在下肢运动生物力学特性研究的基础上，研究了静-动态足底压力识别下足部运动机理。第4章针对庞大的老年人群和下肢弱能人群对增强体能的需求，提出了下肢多关节协同助力的设计理念和人机协调性设计方法。第5章针对无动力下肢外骨骼应用模式单一的问题，研究了步行运动下辅助力矩，提出了可切换助力模式的外骨骼设计方法，并开发了多关节协同耦合的下肢助力外骨骼机器人。第6章建立了无动力下肢可穿戴外骨骼综合评价(CE-ULLWE)方法，提出了基于任务的8 个核心性能指标(PI)评估性能的有效性，将通过人体骨骼肌驱动的无动力外骨骼运动辅助效果评价，转化为人体骨骼肌运动生物力学指标生成问题。本书内容对可穿戴助力外骨骼产品的设计、功能及性能评价均具有重要的理论指导意义和实践应用价值。
本书可作为下肢助力外骨骼和运动康复训练等相关工程技术人员、科研工作者、相关专业本科生和研究生的参考用书。

唐欣尧，工学博士，西安理工大学艺术与设计学院数智创新设计系讲师。近5年，主持陕西省自然科学基础研究计划（青年项目）1项和校人文社会科学研究专项项目1项；指导陕西省大学生创新训练计划项目1项；参与国家级项目和教育部项目等纵向项目3项，企业委托横向项目3项；参与获批陕西省高等学校科学技术研究优秀成果奖二等奖2项；在国内外期刊发表科研论文12篇；授权国家发明专利2项。现任西安市科技专家、航空学会会员及设计工效学会委员，担任多个国际知名期刊审稿人。
研究方向：
（1）可穿戴外骨骼机器人；
（2）人机协同设计；
（3）智能健康装备开发；
（4）运动生物力学。

王旭鹏，博士，教授，博士研究生导师，陕西省高校青年杰出人才，现任西安理工大学艺术与设计学院院长，工业设计国家一流专业建设点负责人。主要从事机械系统动力学、运动生物力学、柔性传感与智能可穿戴技术、医工交叉创新设计与仿真等方面的研究，主持/参与国家级重点/一般项目、教育部项目、陕西省自然和陕西省社科等纵向项目20余项，科研院所委托横向项目20余项，出版专著2部，科研成果获得省级和厅局级二等奖5项（第1人），获得省级研究生教学成果二等奖1项（第1人），发表SCI等高水平论文70余篇，授权发明专利20余项，转化2项，兼任多个国内外SCI和核心期刊审稿人。

第1章 绪论 001
1.1 研究背景与意义 001
1.2 国内外相关领域研究现状 002
1.2.1 可穿戴下肢助力外骨骼相关研究 002
1.2.2 无动力下肢助力外骨骼研究现状 004
1.2.3 关键技术研究现状分析 012
1.2.4 无动力助力外骨骼存在的问题 016
1.3 研究内容 016

第2章 多场景步态下人体下肢生物力学特性分析 018
2.1 人体下肢骨骼-肌肉系统相关理论 018
2.1.1 下肢骨骼-肌肉模型 018
2.1.2 下肢运动控制相关肌肉 020
2.1.3 下肢生理参数与关节运动范围 023
2.2 足部运动与步态参数 025
2.2.1 步行周期及其术语 025
2.2.2 足部运动特性 027
2.2.3 足-地接触力 029
2.2.4 步行的运动学和动力学特征 029
2.2.5 步态分析与步态参数术语 030
2.3 多场景步态数据采集与仿真分析 031
2.3.1 多场景运动数据采集 032
2.3.2 人体肌骨模型仿真 033
2.3.3 运动仿真结果与分析 037

第3章 静-动态足压识别下足部运动机理研究 045
3.1 足部辨识方法 045
3.2 足部样本采集与数据处理方法 047
3.2.1 样本采集方法 047
3.2.2 样本采集对象特征 048
3.2.3 样本采集仪器和方法 048
3.2.4 数据处理 050
3.2.5 统计分析 052
3.3 足压实验结果与讨论 052

第4章 人-机耦合运动匹配性与协调性研究 059
4.1 膝关节外骨骼人-机协同性 059
4.2 下肢运动生物力学特性分析 060
4.2.1 膝关节运动生理特征 060
4.2.2 运动时空数据采集 062
4.2.3 运动时空数据分析 063
4.2.4 运动匹配性优化 065
4.2.5 膝关节外骨骼构型 068
4.3 下肢运动学与动力学模型 069
4.3.1 人体模型简化 069
4.3.2 人体下肢运动模型 071
4.3.3 人-机耦合动力学模型 073
4.4 人-机协调性模拟 075
4.4.1 仿真模型构建 075
4.4.2 定义约束 077
4.4.3 定义驱动和接触 077
4.4.4 结果及后处理分析 078
4.4.5 不同构型协调性模拟 079

第5章 多关节协同助力外骨骼设计 083
5.1 人-机耦合能量模型构建及分析 083
5.1.1 下肢步态特性分析 083
5.1.2 人-机耦合能量模型 085
5.1.3 储能单元匹配性研究 088
5.2 俘能装置能量模型构建 090
5.2.1 人体步行能量分析 090
5.2.2 储能单元卷簧刚度设计 091
5.2.3 变刚度压缩弹簧设计 095
5.2.4 弹性元件有限元分析 097
5.3 髋关节外骨骼 100
5.3.1 髋关节储能元件变刚度设计 100
5.3.2 膝关节外骨骼 109

第6章 下肢助力外骨骼性能综合评价 113
6.1 CE-ULLWE模型构建 113
6.2 性能评估测试方法 115
6.2.1 实验研究对象 116
6.2.2 测试仪器和材料 116
6.2.3 实验测试方案 117
6.2.4 数据分析及处理方法 119
6.2.5 统计学方法 119
6.3 膝关节外骨骼性能实验 120
6.3.1 步态结果及分析 120
6.3.2 足压结果及分析 122
6.3.3 生理结果与分析 124
6.4 髋关节外骨骼性能实验 125
6.4.1 步态结果及分析 125
6.4.2 足压结果及分析 127
6.4.3 生理结果及分析 128

参考文献 134

附录 无动力下肢辅助外骨骼汇总 145