临床观察发现,绝大部分脑卒中患者存在不同程度的运动功能障碍。其中踝跖屈障碍患者和踝背屈障碍患者的步行能力及行走效率下滑,使得他们的自理能力、参与能力和生活质量受到很大影响。足踝外骨骼机器人可辅助此类患者进行行走,但现有的足踝外骨骼机器人大多采用刚性设计,存在自重高、体积大和关节不对心等问题,难以满足患者自主行走的需求。针对以上情况,为满足踝关节运动障碍患者的助行需求,本课题设计了一种鲍登线驱动的柔性外骨骼机器人。机器人采用鲍登线实现柔性传动,并将助力传递至穿戴者的足跟或前脚掌,从而转化为辅助关节运动的力矩,实现对患者的助行辅助。同时基于踝关节运动特征,本课题给出跖屈助力和背屈防止足下垂的外骨骼机器人助行方法,以满足两类患者不同的助行需求。本课题的主要研究内容如下:(1)柔性外骨骼机器人助行原理与结构设计:首先分析人体踝关节运动规律,并基于人体肌肉的弹性特性,建立了人机耦合系统模型,同时给出了柔性外骨骼机器人的助行原理:通过规划跖屈与背屈两种传动方式下鲍登线内芯的位移轨迹,为踝跖屈障碍患者在支撑相内提供推助力、为踝背屈障碍患者在摆动相辅助前脚掌上抬以防止足下垂。最后完成踝关节助行柔性外骨骼机器人的总体构型设计以及结构设计,为机器人的控制及实验提供基础,实现了从助行原理到机器人样机的工程化。(2)步态检测鞋垫设计:为了实现行走过程中的步态检测,研制了一种基于多通道足底压力传感器的步态检测鞋垫,对传感器的布置方式、系统硬件/软件的实现方式以及通信方式等进行了研究。研制的鞋垫可在步行过程中实时获得足底压强云图、步态相位以及足底压力中心,并可实时反馈步态时刻,为柔性外骨骼机器人系统的实时控制提供了基础,同时此步态检测鞋垫还可用于对穿戴者的步态评估。(3)柔性外骨骼机器人驱动与控制方法研究:首先对无刷电机的驱动方法进行了研究,采用FOC(磁场定向控制)恒转矩角控制方法实现电磁转矩的完全解耦,简化了电机控制。然后,对解耦出的电流环控制参量采用“位置-电流”的双闭环PID控制方法,实现了电机的位置控制,可满足背屈助行时对机器人鲍登线内芯的位移量调节;针对外骨骼机器人跖屈助行时需要对鲍登线内芯拉力调节的要求,根据人机相互作用存在不确定性的特点,采用了模糊控制方法,通过动态调控内芯位移来实现机器人的输出力控制。通过控制模块化关节内嵌的无刷电机,实现了机器人的助行运动。(4)面向踝关节助行的柔性外骨骼机器人实验研究:在建立的柔性外骨骼机器人本体基础上,进行了控制系统的软硬件设计,然后开展了穿戴外骨骼机器人的助行实验,并利用肌电信号进行了助行效果验证。实验结果表明,穿戴外骨骼机器人进行跖屈助行时,可稳定提供下肢推助力,内芯助力跟随的平均绝对值误差小于10N;进行背屈助行时,可辅助前脚掌上抬,内芯位移的轨迹跟随平均绝对值误差小于0.08cm。在两种助行的行走过程中,穿戴者的下肢肌肉活跃度均较无外骨骼机器人助行时显著下降,证明了本文设计的柔性外骨骼机器人的助行有效性。