8、刚性与柔性外骨骼：设计、建模与控制策略

刚性与柔性外骨骼：设计、建模与控制策略

1. 外骨骼设备概述

外骨骼设备在康复治疗等领域发挥着重要作用，主要包括刚性外骨骼和柔性外骨骼。刚性外骨骼以 Rehab - Exos 为代表，柔性外骨骼则以用于肘部辅助的软外骨骼服为例。

2. 刚性外骨骼 Rehab - Exos

2.1 设计理念

Rehab - Exos 是一款主动式机器人外骨骼，设计目标是紧凑、易于重新配置，并在透明度和力复制之间取得良好平衡。通过关节扭矩传感器实现用户与外骨骼之间的物理交互。

2.2 机械设计

• 关节组成 ：具有串行架构，与人体运动学同构。包含连接到固定框架的肩关节，三个主动关节 J1、J2、J3，一个主动肘关节 J4，以及一个允许手腕旋前旋后的被动旋转关节 J5。
• 设计规格
  • 最大输出速度：10 rpm。
  • 额定最大输出扭矩：J1、J2、J4 为 120 Nm，J3 为 80 Nm。
  • 关节特性：电机断电时具有有限的关节回驱性，以确保患者安全；具备关节扭矩传感功能；机械复杂度有限，便于维护和降低成本。
• 关节驱动
  • J1、J2、J4：通过相同的驱动组驱动，采用定制的无框架无刷扭矩电机，集成紧凑型谐波驱动器（HD）组件。输出扭矩为 150 Nm，总重量 3.7 kg，电机轴惯性降低到关节输出轴 Jm = 3.7 kgm²，谐波驱动器减速比为