优化的变轴线膝关节：提升下肢外骨骼人机协同

本文主要探讨了下肢外骨骼助力器中的一个重要部分——变轴线膝关节机构的设计与优化。随着人们对健康辅助技术的需求增加，下肢外骨骼作为一种仿人型机器人，其设计需高度模仿人体运动以提高负重能力和运动效率。传统的下肢外骨骼膝关节机构往往简化为单一的转动副，这与人体膝关节复杂的运动特性不匹配，导致人机协调性减弱。 首先，研究者深入分析了人体下肢和膝关节的运动特性，确定了以矢状面为主的研究方向。他们根据膝关节的运动特点设计了一种变轴线膝关节结构，这种结构能够实现膝关节运动轴线的变化，从而提升外骨骼与人体运动的同步性。通过计算单侧外骨骼的自由度并采用图解法验证膝关节瞬心位置，确保了设计的精确性。 接下来，作者构建了包含变轴线膝关节的下肢外骨骼运动学模型，分别计算了在绝对坐标系和局部坐标系下的膝关节瞬心轨迹方程，并进行坐标转换。这些计算为后续杆长优化提供了理论基础。通过最小二乘法，他们拟合了人体膝关节的瞬心理论轨迹，这为实际膝关节机构和假肢设计提供了实用参考。 优化目标是使膝关节机构与人体膝关节瞬心轨迹更加契合，因此，作者将膝关节各杆和大腿杆的长度作为优化变量，考虑了站立稳定性、仿生性等约束条件。利用MATLAB进行优化计算，对比了优化后的杆长参数与人体膝关节的拟合轨迹，结果显示优化效果良好，相对误差控制在10%以内。 最后，作者通过ADAMS软件进行运动仿真，验证了变轴线膝关节机构的运动性能。实物样机的运动捕捉实验进一步证实了新型外骨骼膝关节机构的瞬心轨迹，强化了杆长参数的正确性。结论显示，优化后的变轴线膝关节设计显著提高了下肢外骨骼与人体的运动协调性，对于提升助力型外骨骼的实际应用效果具有重要意义。 关键词：无驱动下肢外骨骼、变轴线膝关节、机构设计、杆长优化。通过这一系列设计与优化工作，本文为下肢外骨骼技术的发展提供了新的思路和方法，为改善人机交互体验和提升康复设备效能奠定了坚实的基础。