物理人机交互的复刚度模型：对性能增强外骨骼控制的启示

人体关节动态刚度在性能增强外骨骼的稳定性中起着重要作用。本文考虑一种人体关节动力学的新频域模型，其特征是复值刚度。该复刚度由实刚度与滞回阻尼组成。我们用它解释连接外骨骼的人体动态行为，特别是观测到的非零低频相移以及随刚度与惯性变化而近恒定的谐振阻尼比。我们通过在受试者上使用肘关节外骨骼实验台，同时改变关节刚度行为、外骨骼惯性与力量增强增益，验证了该概念。我们比较了三种不同的肘关节动态刚度模型：含实刚度、黏性阻尼与惯性的模型，含复刚度与惯性的模型，以及结合前两种的模型。我们的结果表明，使用统计 F 检验，滞回阻尼项提升了建模精度。而且该提升在统计上比使用经典黏性阻尼项更为显著。此外，我们通过实验观测到滞回阻尼与刚度实部间的线性关系，可将复刚度模型简化为单参数系统。最终，我们设计了一个分数阶控制器，以展示如何利用人体滞回阻尼行为在保持稳定性的同时改善力量放大性能。