针对人体手臂负载弯举过程中易产生肩袖损伤的问题,设计了一种气动肌肉上肢外骨骼机器人。其本体结构由一个肘关节外骨骼机器人和气动式外展肩枕构成,并通过双层护肩结构固定于穿戴者上肢。该设计结合了刚性外骨骼机器人结构的力传递优势和柔性仿生式织物结构的柔顺性优势,在负载弯举过程中对穿戴者的肘关节和肩关节提供必要的助力,同时提高了肩关节处的人机相容性。对比实验结果表明,实验者手持负载并穿戴气动式上肢外骨骼机器人后可以在心率无显著性增加的状态下完成弯举动作,并且在气动式外展肩枕的作用下肩部外展轨迹更近似于自然弯举状态下的轨迹。与无穿戴状态下对比,肱二头肌肌电信号的平均绝对值和均方根分别降为69.92%~70.97%和66.46%~78.85%,冈上肌肌电信号的平均绝对值和均方根分别降为80.67%~81.51%和78.02%~89.22%。

针对以气动人工肌肉作为关节驱动器的外骨骼机器人关节位置跟踪控制问题进行了研究。首先,在动力学模型的基础上,设计了上层控制器,并结合自适应控制和滑模控制方法降低了动力学参数不准确和扰动项未知对外骨骼机器人的影响;其次,基于无模型方法设计了底层关节力矩控制器,调整外骨骼机器人的关节力矩;最后,针对上述控制方案设计仿真实验与外骨骼机器人的穿戴实验。结果表明,该控制方法对气动人工肌肉外骨骼机器人的关节位置跟踪控制是有效的。