国内外下肢外骨骼控制系统研究现状

图 1.11 电子科技大学下肢外骨骼

1.4 国内外下肢外骨骼控制系统研究现状

为了实现外骨骼能快速跟随穿戴者运动并且实现助力功能，很多控制方法都 在下肢外骨骼机器人上进行了研发和应用：例如灵敏度放大法（SAC）、虚拟力矩 控制^[92]、主从控制^[93]、直接力反馈控制^[94]、力阻抗控制^[95-97]、肌电信号控制等。

Kazerooni 教授在 DARPA 支持下研制的下肢助力外骨骼 BLEEX，除了可以 用于战场帮助士兵背负重物之外，还可以为事故救援人员、消防战士和其他需要 携带食物、救援装备等重物前行的人群提供帮助。为了实现该外骨骼可以让人穿 戴后舒适地完成步行、爬坡、弯曲、下坡等常见人体下肢步行状况，需要实现外 骨骼对穿戴者实时运动的跟随，也即由穿戴者提供智能的控制系统，而外骨骼只 负责跟随及支撑负载。BLEEX 创新地提出了并不直接测量人机间交互力的方式，

并且以 BLEEX 可以跟随穿戴者的主动运动意图为设计准则，提出了灵敏度放大 法的概念。传统的控制器设计都是以抗干扰能力强为设计目标之一，而 SAC 恰恰 与此相反，该控制器的目标是实现对外界干扰的放大，在无外力的情况下，外界

浙江大学博士学位论文 第 1 章 绪论

（Cybernic Voluntary Control System）和主动控制模式（Cybernic Autonomous Control System），不同的控制模式也将其应用拓展至医疗健康、重物搬运等领域。

行控制，在支撑腿时采用常值控制器。该种控制模式适合于下肢肌电信号无法提 取的患者^{[108, 109]}。

韩国国防发展代理局针对军事用途的液压下肢助力外骨骼，设计了一套双模 式控制系统，主要包含支撑相的主动控制和摆动相的被动控制。主动控制采用虚 拟力矩控制器，被动控制采用旁通阀的液压系统设计，实现摆动时的快速跟随，

为了避免两种步态控制器过渡时的力矩波动，通过在脚底布置压力传感器，检测 步态变化，从而引入指数函数平滑方法。实验表明，穿戴者穿上该下肢外骨骼后 可以在背负 45kg 负载的情况下步行速度达到 4km/h^[110]。

韩国汉阳大学 Donghwan Lim 等教授开发的下肢助力外骨骼采用准拟人化设 计，为了实现对人体运动意图的跟随，采用了最为直观的方法：检测人和外骨骼 之间的物理接触力。控制器架构主要分为两部分：传感器检测系统；电机控制系 统。其中传感器检测系统主要完成检测人体运动信息以及人机交互力，为此需要 在人和外骨骼之间安装多维力传感器。电机控制系统根据人体步态包含两种不同 的控制器：摆动相时，采用虚拟力矩控制算法，得到理想的关节力矩；支撑相时，

直接将多维力传感器检测到的人机交互力通过雅克比矩阵转换为各关节理想驱 动力，最后通过 PID 控制器实现力跟随。该外骨骼已经进行了穿戴实验，并且通 过肌电传感器进行检测，穿戴效果得到验证^{[55, 111]}。

下肢外骨骼作为人机交互设备中的典型机器人，同时由于人体步态的多样 性，因此其控制系统设计也受到了国内很多高校的青睐[112, 113]。海军航空工程学 院的顾文锦教授团队对 BLEEX 所采用的 SAC 方法进行了分析并且做了进一步改 进，针对外骨骼的非线性特性，采用 BP 神经网络建立其动力学模型，并结合 SAC 方法，进行了仿真^{[114, 115]}，之后又提出了分阶段控制的策略，摆动腿采用 SAC，

支撑腿采用位置控制^[116]。北京航空航天大学的唐志勇教授团队利用导纳控制器可 以联系力和速度的特性，将穿戴者与外骨骼之间的接触力转换为速度信息，并推 导得出外骨骼的期望运动轨迹，实现位置跟踪，仿真表明该控制系统可以降低约 85%的交互力，位置跟踪误差可控制在±0.3°以内^[117]。尽管国内开展了很多研 究，但是依然没有可以实现自主跟随的下肢外骨骼产品出现。

浙江大学博士学位论文 第 1 章 绪论