人体动态平衡辅助的穿戴式外骨骼控制系统设计与应用验证

目的本研究受人体通过髋关节加载/卸载调控足-地面交互力而实现自平衡的生物力学机制启发,设计了一种基于足-地面交互力反馈的外骨骼辅助控制系统。该系统通过动态调节足底压力中心(CoP),旨在增强穿戴者在受扰状态下的多运动平面的姿态控制能力,达到平衡功能增强的目的。方法研发的外骨骼平衡增强系统设有4个置于髋部的驱动器,支持穿戴者在多平面进行协同运动控制。该系统采用模糊逻辑控制框架,以双足柔性薄膜压力传感器捕获的CoP偏移量为控制输入,分析人体自平衡过程中的足底压力动态变化,并自适应调整控制增益。为验证系统性能,通过6自由度平台进行动态扰动实验,监测臀中肌的激活度及CoP的时空特征变化,评估穿戴外骨骼前后平衡控制能力差异。结果外骨骼的主动介入平均响应时间为扰动发生后20 ms。穿戴该系统后,力矩辅助模式根据穿戴者双足的压力自动调整辅助参数,结果显示,臀中肌的激活水平下降了24%,同时CoP的收敛时间缩短了12%。结论基于足地交互反馈机制的多平面外骨骼系统能够动态感知穿戴者的失稳状态,并通过主动防护策略有效增强其对突发扰动的平衡控制能力。本研究为外骨骼技术在平衡控制领域的应用提供了新的理论和实践依据。