曹恩国，王 刚，王 琨，高 阳

（1.江南大学设计学院，江苏无锡214122；2.江南大学机械工程学院，江苏无锡214122）

机械外骨骼的研究最先起步于军事领域。机械外骨骼是一种穿戴在人身上，用以提高人体活动能力的机械装备［1］。机械外骨骼按动力源可以分为主动式和被动式两类。主动式外骨骼需要外部能源提供能量，如HAL［2］、ReWalk［3-4］、Bleex［5-6］等，其质量大，结构复杂，一旦外部电池的电量耗尽，不仅无法助力人体的运动，还会严重阻碍人体运动。被动式外骨骼不需要外部能源，通过巧妙的设计使它收集自身的运动能量来实现助力。美国专利局于1890年授予Yagn的“辅助行走、跑步及跳跃装置”是最早的被动式外骨骼，该装置用弓形板簧来增强人体的运动能力，但由于未进行实验，不能确定其可行性［7］。Dijk等开发的人造筋装置与腿平行放置后可以收集腿部关节摆动所产生的能量，在模拟中可以实现40%的效能提升，但在实际测试中由于穿戴舒适性较差，能量转化效率不佳［8］。Collins 等设计的一款外骨骼通过棘轮结构和弹簧收集小腿拉伸和收缩所产生的能量并用于行走助力，可降低7.2%的能量消耗。这款外骨骼仅需一个由铝合金制成的棘轮机构、一个轻型弹簧和一个塑料支架，使得穿戴者可以灵活地运动，但是由于其收集的能量较少，实际的助力效果有限［9］。因此，被动式外骨骼在自体能量回收和利用方面有很大的提升空间。本文设计了一款被动式外骨骼，特制了多级能量锁止机构用以自适应不同的人体体重和行走速度，以高效回收人体的重力势能和动能并助力于提腿动作，提高能量的转化效率。……