可穿戴机器人机构的计算机化综合：以髋关节机构为例

由于可穿戴连杆机构能够控制从驱动器到穿戴者的力矩传递，它们有助于确保即便是低成本可穿戴系统也能提供贴合用户需求的高级功能。例如，若髋部机构将输入扭矩转换为空间变化力矩，穿戴者即便使用经济型单驱动器系统，也能在行走时于矢状面与额状面获得有效助力。然而，由于连杆机构设计空间的组合性质，此类非线性力矩生成机构的拓扑难以确定，即便耗费大量计算资源与数值数据亦然。此外，传统综合方法几乎无法实现本地化产品开发与交互式设计。在此，我们提出一种创新的自主计算方法用于综合此类可穿戴机器人机构，无需穷举搜索或大量数据集。我们的方法将综合问题转化为带精细目标与约束函数的基于梯度的优化问题，同时确保所需的自由度、运动范围与力传递特性。为生成任意机构拓扑与尺寸，我们采用统一基模型。通过将所提方法应用于髋关节机构设计，获得了非串联型髋关节机构的拓扑与尺寸。生物力学仿真验证了其多力矩辅助能力，样机试制核实了其可穿戴性。所提设计策略可为肩、膝、踝等各类可穿戴机器人机构的设计开辟新途径。