下肢外骨骼的力矩补偿控制器设计与评估

在本文中，我们提出了一种集成人在回路仿真范式，用于设计和评估一种弹性绑缚于人体下肢的下肢外骨骼。该外骨骼每侧具有3个旋转自由度，重23公斤。介绍了两种外骨骼力矩补偿控制器，分别旨在最小化对人体运动的干扰和最大化辅助。通过跑步运动及预测的地面反作用力，研究了它们对穿戴者生物力学负荷的影响。研究发现，被动外骨骼的附加重量显著增加了穿戴者的肌肉骨骼负荷。与被动外骨骼相比，最大化辅助控制器将膝关节力矩降低了近一半，其合成力矩仅为无外骨骼正常跑步时的72%。与正常跑步相比，该控制器还将髋屈和髋伸力矩分别降低了31%和38%。结果，股二头肌短头、臀大肌和股直肌的峰值激活降低了超过一半。尽管如此，由于附加重量和更高的地面反作用力，所有外骨骼情况下的膝关节轴向反作用力均增加。总之，结果表明与被动外骨骼相比，这两种控制器在降低穿戴者肌肉骨骼负荷方面具有确切功效。并且表明，此处提出的人在回路仿真范式可用于动力外骨骼的虚拟设计与评估，并为构建用于实验评估的优化外骨骼原型铺平道路。