纵深 | 半主动电液驱动的下肢负重外骨骼机器人设计与控制

摘要

负重行走是工业搬运和消防救援等领域的重要需求，但长期负重可能对人体造成不可逆的损伤。提升负重能力的辅助设备一直是研究热点，下肢外骨骼作为一种有效的解决方案，受到广泛关注。面向大负重下的行走运动，研制了一种基于半主动电液驱动的下肢助力外骨骼机器人。在设计上，该外骨骼根据躯干和大腿之间的角速度特征以及膝关节的力矩特征，采用新颖的半主动电液关节方案，实现了矢状面内负载的有效传导。建立了关节的运动学和动力学模型，针对运动过程的负载扰动，将二级倒立摆模型和状态机策略结合，实现了阻尼的动态匹配控制：在站立阶段，根据加速度特征，调节关节阻尼以传递步行过程中动态变化的载荷；在摆动阶段，半主动关节保持反驱特性确保腿的自由摆动。实验测试验证了半主动关节具备广泛可调的液压阻尼系数特性和良好的反驱特性，确保了外骨骼在站立相的阻尼调节和摆动相的被动跟随控制。外骨骼穿戴测试结果表明，在不同负重工况下，所研制的半主动电液驱动外骨骼机器人都能实现高效的负重传导和较小的背部交互力。

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责任编辑：赵子祎

责任校对：恽海艳

审　　核：张　彤

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