柔性外骨骼的原理是什么?

柔性外骨骼

柔性外骨骼是近年来研究比较多的方向。其应用场景包括康复训练,增强负重等。助力方式可以分为髋关节助力,踝关节助力以及多关节助力等。几种外骨骼装置如下:

多关节助力
髋关节助力,及其动力学
踝关节助力

基本原理

人在走路的时候,在步态周期(GC)的不同阶段,人使用的力大小以及方向是可以分析出来的。设计柔性外骨骼,就是为了在肌肉使劲的过程中提供帮助,从而起到帮助人行走的目的。所以问题就是,

1:人在不同情况下行走时肌肉力量是怎么产生的、产生的大小以及方向如何?

2:如何让柔性外骨骼知道当前走路状况?

3:施加多大的力以及何时施加?

4:如何检测装置是否提高了人的负重能力?

个人也是刚开始接触柔性外骨骼,下面是总结的一些paper。

人体生物学信息

参考博士论文:Control of a lower extremity exoskeleton for human performance amplification


另可参考:

步态任务识别

就是判断出不同的行走状态,如水平、上升、下降等。

示意图
摄像头位置及简单网络描述

步态信息检测

就是检测出行走时所对应的各种状态
1、基于足底压力传感器,通过检测足部人机作用力和地地面支撑反作用力获得下肢运动学信息

2、基于惯性传感器的姿态感知

3、基于EMG表面肌电信号

4、基于自适应振荡器

控制方法

1、自适应控制
针对髋关节:估计出髋关节的角度后计算需要输出的扭矩,不需要拉力传感器

2、开环控制方法
根据步态特征计算出电机收缩距离(也就是期望输出力矩),拉力传感器判断是否到达,依据偏差进行矫正

3、迭代法获得期望力(髋)
同2对系统建模,为解决不同人和不同环境下期望输出力难以确定问题,采用迭代的方法获得期望力曲线(期望峰值力或者预拉进力小于设定值,下一回合就增大幅值或增加偏移)

4、导纳+力位控制:Improved assistive profile tracking of soft exosuits for walking and jogging with off-board actuation

· IMU-based iterative control for hip extension assistance with a soft exosuit

总结

柔性相对于刚性外骨骼的难点在于控制方面的困难。因为柔性驱动的强非线性,人体运动步态变化的随机性,对控制系统的实时性以及准确性又较高要求;且人体自身有一个适应过程,若助力策略不稳定、外骨骼输出不稳定,会使正常人类在穿着的过程中更累。总之,任重而道远啊!

https://www.zhihu.com/question/38662861/answer/700035440

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