在外骨骼研究中，一個(gè)合適的人機(jī)耦合模型非常重要，它可以幫助預(yù)測外骨骼系統(tǒng)直接作用于人體產(chǎn)生的影響，避免不必要的傷害和能量損失，同時(shí)也有助于優(yōu)化外骨骼系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和控制，提高其佩戴的舒適性和人機(jī)交互性。

華南理工大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)提出一種新型人體外骨骼機(jī)器人的單元化建模方法，通過動力學(xué)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模型運(yùn)動學(xué)計(jì)算的準(zhǔn)確性，并將模型應(yīng)用到外骨骼機(jī)器人的設(shè)計(jì)和控制優(yōu)化中，設(shè)計(jì)出新的助力被動外骨骼系統(tǒng)，也能有助于優(yōu)化機(jī)電外骨骼的控制曲線。

動力學(xué)實(shí)驗(yàn)

使用NOKOV度量光學(xué)動作捕捉系統(tǒng)，獲得各單元上各個(gè)點(diǎn)的位置\速度\加速等數(shù)據(jù)，輸入模型中計(jì)算出步態(tài)行走時(shí)雙支撐階段的步態(tài)數(shù)據(jù)，以及對地面的反作用力數(shù)據(jù)。同時(shí)也利用測力板獲取兩腳觸地時(shí)的數(shù)據(jù)。將模型計(jì)算出來的數(shù)據(jù)與測力板獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，間接驗(yàn)證了模型運(yùn)動學(xué)計(jì)算的準(zhǔn)確性。

光學(xué)動作捕捉系統(tǒng)和測力平臺

運(yùn)動學(xué)雙支撐階段識別實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖

外骨骼機(jī)器人的設(shè)計(jì)和控制優(yōu)化

模型理論建立后，基于模型對下肢外骨骼機(jī)器人進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出一套被動多協(xié)同外骨骼實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。通過代謝實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證人體佩戴外骨骼后是否能有效減少能耗。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，被動多協(xié)同外骨骼工作時(shí)相比不工作時(shí)人體代謝平均降低了4.40%。驗(yàn)證了被動外骨骼設(shè)計(jì)的有效性。

被動多協(xié)同外骨骼實(shí)驗(yàn)樣機(jī)

在模型的指導(dǎo)下，還進(jìn)行了機(jī)電外骨骼輸出力的優(yōu)化實(shí)驗(yàn)。通過向髖關(guān)節(jié)機(jī)電外骨骼機(jī)器人輸入控制曲線，對比判定輸出力曲線是否能幫助人體減少能耗。實(shí)驗(yàn)表明髖關(guān)節(jié)機(jī)電外骨骼使能狀態(tài)相對于失能狀態(tài)人體代謝平均降低了1.38%。

佩戴髖關(guān)節(jié)機(jī)電外骨骼機(jī)器人和代謝測試儀進(jìn)行實(shí)驗(yàn)