无动力下肢助力外骨骼研究与应用

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。

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。

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的前提下，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。主要内容包括：
（1）根据动力来源的不同，比较分析了各类可穿戴下肢助力外骨骼的工作原理、设计思想、穿戴方式、材料及性能。基于此，提出了面向实际应用的改进方法，从人体下肢生理学和解剖学的角度出发，结合人体下肢的运动规律，分析了步行状态下足部运动特征的步态参数，并阐述了人体下肢运动的控制机理与相关肌肉功能。利用OpenSim 进行人体多种运动模式的运动学与动力学仿真，分析了下肢运动过程中的能量变化特征，从而建立了获取下肢多场景运动生物力学特征参数的实验方法。
（2）建立了足迹和足底压力分布数据样本，通过点阵分布压力图，分别研究了静态无负重、半负重和全负重状态下分布式足底压力变化。基于此，提出了一种基于静-动态足压点阵指数（Bitmap index，BI）的足型分类方法，结合Matlab 平台开发了可视化足型识别系统。该研究可为外骨骼系统的设计优化提供重要指导，有助于提高外骨骼系统的功能性、安全性和适应性。
（3）根据下肢关节运动生理特性，利用动作捕捉技术获取下肢运动时空数据，宏观分析了下肢各关节的运动，并提出了膝关节外骨骼设备构型的初步构想；借助人体简化模型，采用D-H 法建立了人体运动学模型，将Matlab 计算结果与实验数据进行对比，验证所建立数学模型的准确性；采用拉格朗日法分析了人体下肢的动力学特性，构建下肢运动中髋和膝关节力矩的数学模型，采用Adams 模拟验证了所建立动力学模型的准确性，并通过穿戴模拟实验选择了优化后的交叉四杆机构和球铰组合构型方案。
（4）基于人体下肢几何结构和人机工效学的关键参数，提出构建柔性储能单元/装置相关的几何及能量数学模型，开发出一套基于人体运动驱动的下肢多关节协同助力外骨骼装置。围绕人-机关节耦合问题开展研究，通过不同步速运动状态下的关节转动刚度研究，对各关节储能元件进行合理选型，构建了能量俘获装置的能量模型，分别采用凸轮传动和带轮传动机构用于髋/膝关节助力外骨骼；分析了步态周期内助力外骨骼能量存储和释放特征，并完成髋关节和膝关节助力外骨骼样机的研制。
（5）基于本书所开发的髋关节和膝关节助力外骨骼装置，通过步态、足压和肌电测试，系统研究了在“未穿戴外骨骼”（No Exo.）、“穿戴外骨骼有助力”（Exo. on）和“穿戴外骨骼无助力”（Exo. off）三种穿戴状态下的性能；通过穿戴和运动测试，对外骨骼的人机兼容性以及用户穿戴外骨骼时的主观舒适性进行检验；建立了多因素综合评价方法，对下肢多关节助力外骨骼总系统的功能和性能进行实验验证和辅助效果评估。
本书的研究内容受到陕西省自然科学基础研究计划资助项目（2025JCYBQN-696）、教育部青年基金资助项目（21XJC760003）、西安理工大学校级博士启动金（106-451124018）、陕西省青年杰出人才支持计划配套基金（106-451420001）资助，在此表示感谢！
限于笔者水平，书中难免有疏漏之处，恳请读者批评指正。

著者
2025年6月

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