新型可变刚度辅助站立膝部外骨骼的设计与验证研究

《Robotica》：Design of a novel auxiliary standing knee exoskeleton with variable stiffness

来自国内的研究人员针对老年人群站立功能障碍问题，设计了一种创新型可变刚度膝部外骨骼。该研究通过弹性输出执行器（Elastic Output Actuator）和刚度调节执行器（Stiffness-adjusting Actuator）的协同作用，实现了关节刚度动态调节与精确力矩输出。实验验证表明，该外骨骼不仅具备优异的轨迹跟踪能力，还能有效辅助站立并提升穿戴舒适度，为康复工程提供了重要技术支撑。

　　

随着老龄化加剧，许多老年人面临站立功能障碍的挑战。为解决这一问题，科研团队创新性地设计了一款具备可变刚度特性的膝部外骨骼（Knee Exoskeleton）。该装置的核心在于其膝关节结构采用可变刚度设计，能够根据人体运动状态实时调整机械刚度（Variable Stiffness），在提供精准辅助力的同时显著提升穿戴舒适度。

可变刚度机构由弹性输出执行器（Elastic Output Actuator）和刚度调节执行器（Stiffness-adjusting Actuator）构成：前者主要负责关节扭矩输出，后者专司刚度调节功能。研究团队分别对这两大模块进行力学分析，并基于其与整体结构的关联性建立了完整的膝关节刚度数学模型。

通过系列实验验证，刚度辨识实验证实实际刚度值与理论模型高度吻合；轨迹追踪实验显示关节在刚度影响下仍保持优异跟踪性能；辅助站立实验成功演示了外骨骼的实际助起能力。特别值得注意的是，通过对比不同刚度配置下受试者的体验，研究首次量化了刚度参数对人体舒适度的具体影响规律，为康复机器人的人性化设计提供了关键数据支撑。