一种无需动力外骨骼，可实现通过手臂摆动为对侧脚踝跖屈提供能量支持

《IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering》：An Unpowered Exoskeleton Enabling Cross-Limb Energy Transfer from Arm Swing to Assist Contralateral Ankle Plantarflexion

　　

摘要：

无动力外骨骼通常通过储存和释放弹性能量来辅助行走，现有设计大多仅限于下肢内的能量传递。然而，作为人类步态中不可或缺的组成部分——手臂摆动，作为助力行走的机械能量来源却尚未得到充分研究。受步态生物力学的启发，我们提出了一种跨肢体能量传递机制，可将单侧手臂摆动的机械功传递到对侧脚踝。基于这一理念，我们设计出一种新型无动力外骨骼，它由腰部安装的力导向模块以及胫骨-脚踝辅助模块组成。我们在多种条件下进行了跑步机行走实验（样本量N=7），以分析该外骨骼的扭矩、时空特性、步态运动学特征以及肌肉活动情况。实验结果表明，该装置能够在适当阶段为脚踝屈曲提供辅助，且不会显著改变步态的时空参数、稳定性或肢体协调性。与正常行走相比，佩戴该外骨骼可使比目鱼肌的平均活动强度降低11.1%，这表明生物性的足底屈曲系统得到了有效的卸载。不同辅助条件下的比较还表明，利用手臂摆动能够为行走提供额外的能量支持，而不仅仅依靠下肢的能量循环。这些结果证明了无动力外骨骼中实现跨肢体能量传递的可行性，并为一种新的设计思路提供了依据，即通过协调全身动作及主动的机械作用来拓展用于步态辅助的能量路径。