具有接触传感与串联弹性驱动的单关节助力外骨骼建模与环路整形

在本文中，我们考虑一类通过感知人机交互与执行器力的反馈来增强人类力量的外骨骼。我们基于参考助力率定义助力误差信号，并设计线性反馈补偿器以衰减该误差。由于人类操作者是该系统的组成部分，我们将补偿器设计为对人阻抗的实际变化与负载阻抗的大幅变化均具有鲁棒性。我们在一个连接人臂的单自由度助力外骨骼上演示了我们的策略，遵循三维实验矩阵：缓慢或快速的人体运动；轻量或极端的骨骼负载；以及柔软或紧绷的人臂阻抗。我们证明，略具攻击性的控制器会导致边界稳定系统——但仅针对柔软的人体肌肉骨骼行为与重负载。这类外骨骼系统之所以有趣，是因为它既能放大人类的交互力——只要人类通过外骨骼接触环境——又能在控制带宽内的频率上衰减操作者对外骨骼反射动态的感知。