摘要: 近年来，随着可穿戴技术的发展，外骨骼在养老康复领域具有很好的前景。老年人随着年龄的增长运动机能逐渐下降甚至出现丧失行走能力的情况，这严重影响老年人自身及其亲属的生活质量。外骨骼可为老人提供助力，帮助其恢复行走能力。柔性外骨骼因为其... 展开 近年来，随着可穿戴技术的发展，外骨骼在养老康复领域具有很好的前景。老年人随着年龄的增长运动机能逐渐下降甚至出现丧失行走能力的情况，这严重影响老年人自身及其亲属的生活质量。外骨骼可为老人提供助力，帮助其恢复行走能力。柔性外骨骼因为其重量轻且不干扰人体正常运动等特点被视为康复外骨骼的首选。近年来，研究学者加快了应用在康复领域柔性下肢外骨骼的研究步伐，不过柔性外骨骼存在结构与控制系统设计不够完善、选用的助力方式对人体不同运动状态适应性差、控制器的跟踪能力和抗干扰能力差的问题，本文将从这三个问题出发，对柔性下肢外骨骼进行研究。 （1）针对结构、控制系统设计不够完善的问题，对柔性外骨骼结构和控制系统进行设计。首先对人体生理学角度进行分析，结合人体生理学分析的结果对柔性外骨骼进行结构设计。在此基础上，对柔性外骨骼电控系统进行设计，在对人机运动学、动力学进行分析后，对电控系统中的数据采集检测装置——陀螺仪、接收和处理控制信息装置——STM32控制器、执行器元件——无刷直流电机与减速器、反馈测量装置——拉力传感器进行选型和调试。 （2）针对外骨骼助力方式对人体不同运动状态适应性差的问题，利用贝叶斯优化的方法对柔性外骨骼助力参数进行优化。对新型助力函数的波形偏移参数α进行优化，使用步行比和心率作为参考值，根据实验采集到的数据利用贝叶斯优化得到最优的波形偏移参数α值。通过实验的方法验证优化的有效性。 （3）针对传统PID控制器抗干扰能力和跟踪性能差的问题，设计控制器对助力函数曲线进行跟踪。首先对拉力带损失的力进行补偿，之后设计了一种自抗扰控制器，该控制器在保留传统PID控制器优点的基础上对其进行改进使其具有更好的抗干扰能力和跟踪能力。利用仿真确定了控制器的最优参数，并且通过仿真与传统PID跟踪效果进行对比，验证了控制器设计的合理性。 （4）利用实验验证上述样机搭建、参数优化和控制器设计的效果。选取受试者在不同波形偏移参数α以及非助力条件下进行行走实验，分别测量行走过程中的代谢量变化和髋关节力矩变化，实验结果显示外骨骼可以降低运动下的代谢量和髋关节力矩。在参数优化方面，显示优化得到的波形偏移参数α值作用下代谢量和髋关节力矩都有所下降，以上实验说明了外骨骼样机搭建和参数优化的有效性。选取同样的受试者分别在传统PID控制器和具有前馈补偿的自抗扰控制器控制下进行行走实验比较跟踪效果，实验显示后者的跟踪能力强于前者，证明控制器设计的合理性。 收起