12、助力机器人技术：从外骨骼到医疗协作机器人的创新应用

助力机器人技术：从外骨骼到医疗协作机器人的创新应用

外骨骼机器人的设计与性能验证

外骨骼机器人在助力人类搬运重物方面展现出巨大潜力。它由刚性支撑框架和电缆系统组成，二者协同工作，为用户提供助力。电缆系统采用高强度聚乙烯电缆，重量轻，几乎不会增加用户的惯性。同时，还设计了电缆锁定机制，用于保持电缆张力并阻止其移动。

该外骨骼机器人具有被动和主动两种工作模式。当用户以固定姿势持重时，电缆锁定机制启动，机器人进入被动模式，无需消耗能量；当用户持重改变姿势时，机器人进入主动模式，根据运动提供可变助力。

为了评估其性能，搭建了一个由人体模型改造的测试平台，在肘部和肩部关节添加了球形关节。实验中选择了多种姿势，包括 0°和 30°的肩部伸展角度，以及 0°、30°、60°和 90°的前臂屈曲角度，并分别施加无负载、5 kg 和 10 kg 的负载，测量电缆张力。结果表明，在不同姿势和负载下，外骨骼机器人能帮助人体模型稳定地保持负载。

此外，还建立了外骨骼机器人系统的运动学和动力学模型，通过静态仿真优化了锚点和连接点的位置，以最小化电缆张力和肩部受力。同时，分析了机器人的工作空间，展示了穿戴时的可能姿势。建立了外骨骼 - 人体耦合系统的动力学模型，设计了带有重力补偿器的 PD 控制器，并通过 Matlab Simulink 进行了轨迹跟踪的动态仿真，结果显示该控制器在主动模式下性能良好，最大电缆张力约为 120 N，远低于最大可承受张力。

以下是相关的数学模型：
- 方程 (3) 的详细形式：
- (f_1(\theta_1, \theta_2) = \sqrt{[d_1 \cos(\theta_1 + \theta_2) + (a_1 -