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Design and optimisation of load-adaptive actuator with variable stiffness for compact ankle exoskeleton

外骨骼 执行机构 刚度 非线性系统 偏转(物理) 控制理论(社会学) 机制(生物学) 曲柄 关节刚度 线性执行器 顺应机制 结构工程 工程类 有限元法 计算机科学 模拟 机械工程 物理 人工智能 控制(管理) 电气工程 光学 量子力学 圆柱
作者
Yixin Shao,Wuxiang Zhang,Yujie Su,Xilun Ding
出处
期刊:Mechanism and Machine Theory [Elsevier]
卷期号:161: 104323-104323 被引量:61
标识
DOI:10.1016/j.mechmachtheory.2021.104323
摘要

Abstract To overcome the limitations of linear series elastic actuators (SEAs) with constant stiffness, a novel load-adaptive actuator with variable stiffness is proposed for actuating ankle exoskeletons through an inverted slider-crank mechanism. Using the proposed actuator, the stiffness of the exoskeleton can be adjusted passively based on the external load and joint angle. To achieve compactness, a novel nonlinear spring mechanism with user-defined load–deflection behaviour is designed by combining a cam mechanism with parabolic beams; this proposed mechanism is used as the series elastic element of the proposed actuator. Dimensional optimisation of the ankle exoskeleton, including the actuator, is subsequently performed for maximising the energy efficiency based on gait biomechanics and considering the constraints of the inverted slider-crank mechanism, electric motor, and the nonlinear spring mechanism. Simulation and experimental results show that the energy efficiency is improved by using the proposed load-adaptive actuator-powered ankle exoskeleton compared with using an exoskeleton driven by linear SEAs.
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