人机交互力对下肢助力外骨骼关节期望角度的预测

针对下肢助力外骨骼在穿戴者使用过程中人机交互力过大导致舒适性差的问题,对外骨骼关节角速度与腿部交互力产生的主动关节力矩间的映射关系进行研究,提出了将人体下肢摆动相腿部简化为以髋关节为支点的平面二杆模型,建立人体下肢摆动腿动力学模型,得到人体的重力补偿项。采用力传感单元获取人体与外骨骼之间的交互力,将外骨骼与人体间的腿部交互力转化为人体髋膝关节下一时刻运动的期望角度;分别通过S曲线映射和导纳控制模型建立了人体摆动相关节角速度与腿部交互力补偿人体重力分量后产生的关节力矩之间的非线性映射关系。实验结果表明:基于S曲线映射的期望角度预测算法和基于导纳控制模型的期望角度预测算法都实现了对外骨骼对人体运动意图的连续跟踪;基于S曲线映射的期望角度预测算法使得外骨骼跟随人体运动过程中大腿交互力峰值小于25 N,小腿交互力峰值小于20 N;基于导纳控制模型的期望角度预测算法使得外骨骼跟随人体运动过程中大腿腿部交互力峰值小于15 N,小腿腿部交互力峰值小于15 N,且关节角度曲线平滑,能够更好地识别人体运动意图,提升人机交互柔顺性。