49、轻量级背部外骨骼与仿生脚踝外骨骼服的设计与研究

轻量级背部外骨骼与仿生脚踝外骨骼服的设计与研究

在工业和医疗领域，外骨骼设备的研发一直是热点话题。轻量级背部外骨骼（LBE）和仿生脚踝外骨骼服（Ankle - Exosuit）就是其中的典型代表，它们分别在减轻背部肌肉疲劳和改善脚踝运动能力方面展现出巨大潜力。

轻量级背部外骨骼（LBE）

控制系统

LBE的电子硬件系统由系统控制板、电机控制板、执行器模块和扩展模块组成。每个执行器模块由一个48V、额定功率160W的电机供电，并与一个拉伸弹簧串联。电机控制板包含电机驱动器（BLDC PMSM FOC）和传感器，其中惯性测量单元（IMU）传感器用于检测躯干运动状况。通过系统控制板的OLED交互模块实现人机交互，选用电池YSN - 2402500放置在背部辅助模块中，采用STM32F03C8T6控制板作为控制系统的控制器，其工作电压为3.3 - 5V。

LBE的动力学方程在不考虑绷带和鲍登电缆摩擦的情况下可描述为：
[T = D(q)\ddot{q} + H(q, \dot{q})\dot{q} + G(q)]
其中，(q)、(\dot{q})、(\ddot{q} \in R^N)分别是关节角度、速度和加速度，(D(q))是惯性矩阵，(H(q, \dot{q}))是向心力和科里奥利力，(G(q))是重力形成的力矩，(T)是施加到每个关节的力矩或力。

控制方法分为被动控制和主动控制。被动控制方法简单可靠，但在适应性、实时调整和设计约束方面可能存在局限性；主动控制方法灵活、适应性强且控制精确，但更复杂。LBE采用基于IMU传感器的PID控制方法，PID控制器在辅助过程中为每个关节提供辅助扭矩(T)，其原理为：
[T