摘要
下肢外骨骼助力机器人作为一种用于增强人体下肢活动并减少行走过程中能量消耗的装置，在军事工业、医疗康复等领域，都有广泛的应用前景。然而传统外骨骼在结构设计和实现助力等方面存在一些问题和挑战:例如传统刚性外骨骼整体质量太大，会对穿戴者带来负担;而且传统刚性外骨骼的穿戴和拆卸比较复杂;还存在外骨骼的轴体与穿戴者关节的连接位置发生错位的问题，从而导致穿戴者行走过程中会消耗更多的能量。这些问题在日常活动中使用外骨骼机器人的情况下是不可忽视的。因此，本文针对上述问题，设计了一种柔性下肢髋关节助力机器人，并提出一种基于步态特征识别及滑模变结构的控制策略。具体工作如下: 首先，本文通过对人体下肢运动特征的分析确定了机器人的助力区间，并设计可以辅助人体下肢髋关节的柔性可穿戴助力机器人。该机器人整体结构由柔性连接件、执行模块和电气硬件等部分组成，整体总质量仅为1.5kg。其中机器人的执行模块大部分机械结构使用3D打印材料。另外，机器人连接件全部选用柔性材料，机器人的整体设计在满足最大限度轻量化的同时还避免了传统刚性外骨骼的轴与穿戴者关节发生错位的问题。 其次，本文提出一种基于步态特征识别及滑模变结构的控制策略。该策略通过检测穿戴者的最小髋关节角度时刻确定穿戴者的步态周期，根据测得的步态周期生成目标辅助力曲线。然后对辅助力测量传感器测得的实际辅助力信号进行滤波并输出平滑的信号。最后将过滤后的实际辅助力信号与目标辅助力信号输入一种滑模变结构控制器中，根据当前误差生成控制电压对电机转速进行精准控制从而实现步行的辅助功能。 最后，搭建了基于动态捕捉系统的实验平台，进行了步行助力实验，并对动捕系统采集到的数据进行处理。通过一个以人体下肢步态特性为基础的评价参数对处理后的数据进行客观评估，验证了机器人的助行效果。
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