下肢外骨骼机器人系统设计与试验分析

针对老龄人士和残障人士助力助行问题,设计了一款柔性下肢外骨骼机器人.该机器人采用中空走线结构的电动关节,利用小型扭矩传感器、磁编码器采集人体运动意图;根据外骨骼机器人的动力学模型,设计基于最小作用力的控制算法并进行运动学逆解,得出各关节转动参量,实现外骨骼机器人随动控制;通过优化外骨骼机器人机械结构并运用轻量化材料,使得机器人样机重量减轻到10.2 kg;在外骨骼机器人进行穿戴试验中,我们采集典型动作运动时的扭矩、位置、速度和加速度等数值,其结果表明所设计的外骨骼机器人随动运动时冲击小,步姿切换时传感器信号跟随良好,电机响应扭矩传感器时间为0.02 s,能达到实际行走的需求,从而验证了该系统的可行性;助力试验结果显示,穿戴外骨骼机器人后快走和慢走模式助力平均峰值扭矩分别为18.2N·m和15.3 N·m,心率降低1％～7％,且快走比慢走的助力效果更明显.本研究为外骨骼机器人轻量化研究提供了一种参考.