14、主动下肢外骨骼与全向移动机器人控制技术解析

主动下肢外骨骼与全向移动机器人控制技术解析

在现代科技的发展进程中，主动下肢外骨骼和全向移动机器人的研究与应用备受关注。主动下肢外骨骼在太空微重力模拟训练等领域展现出巨大潜力，而全向移动机器人在工业、农业、国防和服务等众多领域也有着广泛的应用前景。下面将详细介绍这两项技术的设计、控制及实验验证。

主动下肢外骨骼

机械结构设计

主动下肢外骨骼的设计核心聚焦于髋关节、膝关节和踝关节这三个关键关节。基于人体结构和步态分析，外骨骼配备了精心设计的关节，以适配人体生理特征。连接各关节的连杆对应人体的大腿、小腿和足部，均采用铝合金材料制成。考虑到人体足部对步态影响较小，外骨骼的踝关节设计为被动关节，而膝关节和髋关节则由伺服电机驱动。因此，外骨骼的运动形式主要依赖于髋、膝关节的屈伸动作。

外骨骼的机械结构包括置于髋、膝关节的直流伺服电机、腿部固定模块、脚踏板以及可根据使用者体型定制的连杆。电机增加了外骨骼的原始驱动力，脚踏板与平行于小腿的连杆之间采用球轴承连接。为提升使用者的舒适度，外骨骼与人体下肢之间设置了海绵垫。由于铝合金具有较高的比强度，被选为主动下肢外骨骼连杆的加工材料。

控制系统设计

为实现抵消重力的功能，外骨骼采用零力控制策略，这是一种基于力和位置的混合控制策略。零力控制策略最初应用于工业领域的柔性机械臂，在工作过程中，机械臂可通过“手动示教”快速检测外力并做出相应调整，几乎不受重力、摩擦力和惯性力的影响。当外力撤销后，机械臂能在当前位置恢复稳定状态。

为更好地实现零力控制，采用简化的双杆模型对外骨骼进行运动和受力分析。在该模型中，人体大腿和连接髋、膝的连杆简化为杆一，人体小腿和连接膝、踝的连杆