气动踝关节外骨骼在生物力学研究中的主要功能是作为精确的硬件接口，将数字控制算法转化为物理机械扭矩。通过使用气动执行器，该设备提供单自由度的辅助——特别是针对跖屈和背屈——直接作用于用户的踝关节。这使得研究人员能够弥合理论计算机模型与人体运动物理现实之间的差距。
在生物力学研究的背景下，该设备充当翻译器，将复杂的阻抗控制代码转化为切实的物理力，以客观地测量不同参数如何影响用户的舒适度。
交互的力学
核心人机耦合
外骨骼充当核心人机耦合硬件组件。它是将机器的能力直接连接到人体的物理链路。
单自由度辅助
该设备旨在辅助特定的踝关节运动。它专注于跖屈（脚尖向下）和背屈（脚尖向上）。
气动驱动
为了产生运动，系统集成了气动执行器。这些组件提供必要的力来辅助或抵抗用户自然的踝关节运动。
将算法转化为行动
阻抗控制的翻译
生物力学研究通常依赖于复杂的阻抗控制算法。外骨骼的功能是将这些抽象的数学模型在物理世界中执行。
产生机械扭矩
该设备将数字信号转换为实际的机械扭矩。这确保施加到用户踝关节的力与研究模型的精确规格相匹配。
量化用户体验
测试物理影响
外骨骼使研究人员能够进行定量测试。通过控制输入，他们可以精确测量不同辅助策略对人体的确切物理影响。
评估感知舒适度
该技术的一个主要目标是评估用户感知的舒适度。它使科学家能够将特定的机械控制参数与穿着者的主观感受联系起来。
受控环境测试
所有测试均在受控环境中进行。这种变量隔离对于收集准确、可重复的数据以用于鞋类开发至关重要。
理解局限性
受限的运动复杂性
该设备提供单自由度辅助。虽然对于研究基本的踝关节屈曲有效，但它可能无法完全捕捉动态现实世界场景中发生的复杂多向运动。
实验室限制
依赖受控环境可确保精度，但也有权衡。通过外骨骼收集的数据代表理想化条件，这与户外地形不可预测的性质不同。
将其应用于生物力学研究
为了最大限度地发挥气动踝关节外骨骼在您的研究中的作用：
- 如果您的主要重点是算法验证：使用该设备来确认您的阻抗控制算法是否已准确转化为预期的机械扭矩。
- 如果您的主要重点是产品舒适度：利用可变的控制参数来隔离特定的力，并确定哪些设置能产生最高的用户感知舒适度评分。
通过将人体运动与机器精度有效耦合，这项技术提供了改进鞋类性能所需的客观数据。
摘要表：
| 特征 | 描述 | 对研究的好处 |
|---|---|---|
| 驱动类型 | 气动执行器 | 为踝关节运动提供精确、响应迅速的力。 |
| 自由度焦点 | 单自由度 | 专注于跖屈和背屈的精度。 |
| 控制接口 | 阻抗控制算法 | 弥合数字模型与物理扭矩之间的差距。 |
| 测试目标 | 定量用户反馈 | 将机械参数与感知舒适度联系起来。 |
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参考文献
- Mohammed Mohammed El Husaini, Anne E. Martin. Validation of a modified visual analogue scale to measure user-perceived comfort of a lower-limb exoskeleton. DOI: 10.1038/s41598-023-47430-z
本文还参考了以下技术资料 3515 知识库 .
