39、可穿戴外骨骼助力系统的设计与优化

可穿戴外骨骼助力系统的设计与优化

1. 髋关节外骨骼的设计与控制

1.1 实验数据采集与处理

在实验中，通过Brockway方程，从每个实验条件的最后两分钟收集二氧化碳和氧气数据，以此计算代谢率。通过从步行的总代谢率中减去静态代谢率，得到净代谢率。使用反射标记运动捕捉系统（NOKOV Motion Capture System）测量下肢运动，并通过逆运动学软件（MATLAB）从测量的下肢运动中计算关节角度。

1.2 控制性能评估

• 高层控制器性能 ：当受试者从4 km/h逐渐加速到5 km/h行走时，自适应霍普夫振荡器（AHO）在约2.5秒后能快速适应新的步行速度。在步态稳定时，AHO计算步态周期的绝对误差小于5%，且控制器仅在步态相位百分比的绝对误差低于10%时实施辅助力控制，确保了穿戴者在步态不稳定时的安全。
• 低层控制器性能 ：PID控制器存在显著的控制误差，而基于前馈补偿的PID控制器在峰值力附近的控制误差显著减小。在5分钟的实验中，PID控制和基于前馈补偿的PID控制的平均力偏差均方根（RMSE）值分别为6.0774和4.5322，表明基于前馈补偿的PID控制器的控制精度显著提高。

1.3 运动学与代谢率分析

• 运动学变化 ：在跑步机实验中，除了峰值踝关节跖屈角基本保持不变外，各关节的运动学存在一些差异。与外骨骼关闭状态相比，髋关节的峰值伸展角增加，峰值屈曲角减小；峰值踝关节背屈角减小，膝关节屈曲角在整个步态周期中略有减小。 <