MIT-Exoskeleton半被动式负重外骨骼

前言

MIT-Exoskeleton同样是收到DAPAR的EHPA项目的资助。但不同于BLEEX和XOS这些主动驱动的下肢外骨骼，MIT的研究人员受Passive Walker和Dynamic Walker的启发，开发出以被动驱动为主的下肢负重外骨骼，他们称之为欠驱动外骨骼(underactuated exoskeleton)或半被动外骨骼(quasi-passive exoskeleton)。其实这种想法也比较直观，既然是要用来帮助承重，那就把负重通过一个铝管直接连接到脚底就得了，一根铝管不行就整两根，中间再加点弹簧提供一下支撑。当然MIT的外骨骼结构设计还是比较复杂的，不仅考虑了人体自然运动的生理学特性，还对结构做了若干优化。本文主要介绍MIT-Exoskeleton结构设计。

外骨骼的自由度

MIT-Exoskeleton由负重背包(Backpack)、骨盆护具(Pelvic Harness)和大腿、小腿以及足部结构组成。其中髋关节有3个自由度，膝关节有一个自由度，踝关节有跖屈/背屈和外展/内收2个自由度。在早期研究中，髋关节的屈伸方向有被动驱动和主动驱动两种设计方案，膝关节的屈伸方向为可变阻尼器，踝关节2个自由度均为被动弹簧。在矢状面上三个关节的驱动方案图下图所示：

外骨骼的关节设计

MIT-Exoskeleton是根据人体步态生物力学的特性设计其结构和关节形式，下面对其每个关节的设计理念和结构形式进行介绍。

髋关节设计

髋关节在0.8m/s慢速行走中的屈伸方向的角度近似为正弦函数形式，其行为特性非常接近于行走倒立摆模型。在摆动末期到支撑初期，髋关节产生最大伸展力矩帮助躯干向运动，在慢速行走中这是整个步态第二高的肌肉生物力矩。在整个步态运动，尤其是伸展阶段，髋关节的角度和力矩具有比较稳定的线性关系。但考虑髋关节的能量输出特性，作者提出两种髋关节结构：主动驱动与被动驱动。

髋关节的被动弹性驱动

髋关节在弯曲(flexion)方向上有一个单向压缩弹簧(Coil Spring)，下图为外骨骼髋关节的右视图。当髋关节向前运动时(flexion)对弹簧进行压缩，产生被动伸展(extension)力矩，同时将能量存储在弹簧中并在之后的支撑阶段释放出来。在髋关节向后运动时(extension)，活塞(Spring Plunger)与弹簧分离，不影响髋关节运动。

在髋关节外展(Abduction)方向上同样有一个被动弹簧，如下图所示。外骨骼的腿部结构有一个凸轮结构，如下图Hip joint下方有一片黑色阴影区域，其与轴向上的一个销钉(Brass Plunger)相啮合，销钉左侧轴向安装着一个压缩弹簧。当髋关节外展时，凸轮挤压销钉使得轴向的弹簧压缩，提供一个冠状面上的被动力矩。

髋关节的主动弹性驱动

在另一个方案上，MIT-Exoskeleton通过串联弹性驱动来控制外骨骼髋关节矢状面上的运动。如下右图所示，外骨骼的大腿构建件通过一个四杆机构驱动，其中下方的连杆为滚轴丝杆的线性驱动，平行的Maxson电机通过同步带轮连接到丝杆，同时在直线方向上添加了串联弹簧降低人机交互阻抗。

膝关节设计

在慢速步态中，膝关节主要为躯体提供支撑，大多数时间在吸收能量，类似阻尼器一样。因此研究人员使用一种磁流变阻尼器作为外骨骼的膝关节，可以通过电流来调节关节的旋转阻尼。在步态支撑阶段，电流驱动磁场在膝关节产生较高的阻尼，为外骨骼的腿部提供支撑；在摆动相阶段，电流断开磁场关闭，减小对膝关节自然弯曲和摆动的影响。

踝关节的被动弹性

在慢速步态中，踝关节的跖屈力矩与关节背屈角度也是有着近似线性关系，因此外骨骼的踝关节结构也是采用被动弹性驱动。被动弹性结构经历了两个不同的版本。早期外骨骼的足部是与人体穿戴的鞋子分开的，外骨骼的小腿部分通过关节轴连接到一个碳纤维的足部底板上，并在两者之间有一个单向橡胶弹簧来提供背屈时的跖屈力矩。

在改进的版本中，外骨骼的足部结构被和军用靴集成在一起，同时原来的一个背屈弹簧也优化为足跟叶片弹簧(右图)、背屈弹簧和跖屈弹簧(左图)。足跟的叶片弹簧主要用于减小外骨骼与地面之间的撞击，背屈弹簧则主要用来储存能量并在踝关节跖屈阶段释放。

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