清华大学学报(自然科学版)

作者：刘宇霖,李银波,卢仁浩,关鑫宇,季林红

单位：清华大学 机械工程系, 摩擦学国家重点实验室智能与生物机械分室, 北京 100084

关键词：外骨骼,柔性驱动器,离合式驱动器,棘轮棘爪,截瘫助行

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。

来源：2021年第1期

《清华大学学报(自然科学版)》期刊编辑部

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