基于SMA的变刚度踝关节外骨骼机器人

摘要

为提升踝关节外骨骼康复效果及减小执行机构体积，设计一种基于形状记忆合金(shape memory alloys, SMA)的变刚度外骨骼。外骨骼通过SMA调整弹性组件的预压缩实现变刚度，构建驱动单元数学模型、本构模型和相变动力学模型，为踝关节外骨骼的变刚度调控提供可预测的力学参数基准。对踝关节外骨骼进行下蹲和行走实验，结果表明：在相同下蹲速度下，外骨骼弹簧预压缩量从10%提升至20%,可使偏置弹簧动态形变量减少约10 mm,踝关节外骨骼的刚度由0.05 N/m增至0.35 N/m;行走实验中，踝关节外骨骼刚度由0.05 N/m增至0.25 N/m;采用SMA提供刚度调整的驱动力具有能量密度高、可编程、响应速度快等特点，可缩小整体体积并有效辅助肢体平稳运动。

关键词

踝关节外骨骼 / 形状记忆合金 / 变刚度 / 驱动单元数学模型