基于膝关节角的控制系统 enables soft exoskeleton 辅助人类非稳态运动

外骨骼在稳态运动期间已被证明能有效辅助人类运动。然而,其对非稳态运动的影响仍不够充分探索,尤其是在多样化活动中。本文提出了一种基于膝关节角的控制系统,使外骨骼能够在相位扰动下实时与人类步态保持协调,同时动态调整辅助轮廓以匹配生物学踝关节力矩在步行、跑行、楼梯攀登等任务中的模式。该控制系统包含一个在线生成辅助轮廓的方法和一个基于模型的前馈控制方法。辅助轮廓以膝关节角为自变量,构建为双高斯模型。仅利用 IMU 测量,该模型参数在每个步态内在线更新,以适应个体间和步态内的生物力学变异。轮廓跟踪控制采用人体-外骨骼的运动学和刚度模型作为前馈组件,由于非稳态运动缺乏明确且一致的周期性,此方法减少了对历史控制数据的依赖。本研究使用轻量化软体外骨骼进行了三项实验。结果验证了每项单一方法的有效性,展示了该控制系统在各种活动中对步态扰动的鲁棒性,并揭示了用户对外骨骼机械辅助的生物力学和生理响应。