基于躯干-膝关节同步被动外骨骼的个人移动:优化人机能量传递

我们提出了一种面向下肢受损用户的个人移动设备,其形式为带轮子的轻量化外骨骼。其核心是一种新型被动外骨骼,利用自然身体姿态提供姿势转换支撑,通过单个气体弹簧作为储能单元,在坐-站和站-坐(STS)转换中支撑躯干。我们提出了一种通过双滑轮钢丝系统实现的膝关节与髋关节的方向相关耦合,将躯干运动的能量传递以平衡膝关节执行器的力矩负载。借此,外骨骼最大化了能量传递及用户运动的自然性。我们引入了一种具身用户界面,通过躯干压力感知以极小躯干旋转实现免手导航,在六名无损伤用户上平均旋转为 $19^{\circ} \pm 13^{\circ}$。我们在 11 名无损伤用户上评估了 STS 辅助设计,观察转换过程中的运动和肌肉活动。比较辅助与未辅助 STS 转换的结果验证了相关肌群显著减少(高达 $68\%$ $p<0.01$)。此外,我们展示了通过自然的躯干倾斜运动可实现该辅助,站立和坐下时分别为 $+12^{\circ}\pm 6.5^{\circ}$ 和 $- 13.7^{\circ} \pm 6.1^{\circ}$。被动姿势转换辅助值得进一步研究以提高其适用性并扩大用户群体。