38、助力人类行走的软质髋关节外骨骼设计与控制及特征提取算法研究

助力人类行走的软质髋关节外骨骼设计与控制及特征提取算法研究

1. 外骨骼研究背景与现状

外骨骼机器人是涉及神经科学、生物力学、机器人自动化等多领域的热门研究话题。当前，多数外骨骼采用刚性驱动系统，其具备良好的鲁棒性和运动精度，但在可穿戴性和实用性方面存在显著局限。有研究表明，刚性外骨骼会增加人体的代谢成本，当外骨骼关节与生物关节未对齐或不匹配时，刚性穿戴会产生额外的反作用力，而且刚性连杆会增加肢体的远端惯性，扰乱人体自然的步态运动学。

相比之下，软质外骨骼具有适应性强、重量轻和功耗低等优势。它通过柔性结构向肌肉平行施加张力来辅助关节运动。例如，Asbeck等人开发的外骨骼套装，利用电机驱动的鲍登电缆执行器，使穿戴者的新陈代谢降低了6.4%；Kim等人使用相同的鲍登电缆驱动系统辅助行走和跑步，实验结果显示，用户在行走时的代谢成本降低了9.3%，跑步时降低了4.0%。不过，软质外骨骼的控制比刚性外骨骼更为复杂，其驱动系统易受柔性可穿戴结构的干扰，呈现出非线性和时变性。目前虽已提出多种控制策略，如模糊控制、迭代学习控制和自适应控制等，但仍存在一些待解决的难题，主要集中在高级控制器的步态识别和低级控制器对辅助力曲线的精确跟踪上。

2. 软质髋关节外骨骼设计

2.1 设计理念

软质外骨骼旨在辅助健康人在行走时进行髋关节伸展。研究发现，在相同的外骨骼助力下，髋关节的辅助效果比踝关节更为显著。因此，借助强大的软质外骨骼辅助髋关节是一种高效的行走辅助策略。以4.5 km/h的速度行走时，髋关节的角度和功率情况显示，髋关节在摆动阶段和支撑阶段的初始阶段分别做正功。在步态相位约35%时，髋关节经过矢状面，此时髋关节伸展开始减速，髋部肌肉做负功；在约55