关于《铅衣支撑外骨骼机器人设计与控制策略研究》的学术研究报告
一、 研究作者、机构及发表信息
本研究由太原理工大学机器人科学与工程学院的刘艺伟、赵杰（通讯作者）、熊晓燕（通讯作者）、刘宏飞、张金柱、马庆明，以及山西白求恩医院（山西医学科学院）山西医科大学第三医院同济山西医院的遆刚共同完成。该研究以学术论文《铅衣支撑外骨骼机器人设计与控制策略研究》的形式，于2026年5月28日在《太原理工大学学报》进行了网络首发。
二、 研究学术背景
本研究属于机器人技术与生物医学工程交叉领域，具体聚焦于可穿戴外骨骼机器人的设计与控制。研究的直接动因是解决介入手术等医疗场景中长期存在的职业健康问题。医务人员为防护电离辐射而穿戴的铅围裙（铅衣）重达10至15公斤，长期负重作业易导致腰椎间盘突出、颈背肌筋膜炎、肩周劳损等肌肉骨骼疾病。现有的解决方案，如悬吊系统限制了活动自由且成本高，而轻量化铅衣则在保证防护效果的前提下成本高昂且牺牲了柔韧性。被动式外骨骼虽能转移部分负重，但因其缺乏主动驱动单元，无法提供运动助力，且刚性结构可能限制人体自然运动。
因此，本研究旨在开发一种主动式铅衣支撑外骨骼机器人，其核心目标不仅仅是静态地承担铅衣重量，更要实现在医务人员执行弯腰、行走等动态任务时的主动助力与支撑，从而从根本上减轻其身体负担，提升操作舒适性与安全性。研究的学术目标在于探索一种集成了静态支撑与动态助力的全身外骨骼系统构型，并针对其特有的机电耦合与非线**性特性，设计高效、稳定且柔顺的控制策略。
三、 详细研究流程与方法
本研究遵循了典型的机电系统研发流程，从需求分析、构型设计、建模分析到控制策略设计与仿真验证，共包含四个主要阶段。
第一阶段：外骨骼机器人构型设计。 研究采用模块化设计理念，将系统分为上肢支撑模块和下肢助力模块。针对铅衣在人体弯腰时质心前移导致肩部产生剪切力的问题，创新性地设计了上肢模块。该模块采用绳驱动（Cable-driven）传动以实现轻量化，并包含一个关键的可旋转肩托。在直立时，铅衣重力通过固定肩部支架、背部连杆直接传递至地面；弯腰时，腰部电机驱动鲍登线收卷，主动调整肩托角度，使其始终与铅衣贴合，从而补偿铅衣前倾力矩，消除滑动与剪切力。下肢模块则采用半包围人机工学骨架，通过绑带与人体贴合。其设计采用“主动髋关节+被动膝关节”的混合方案：髋关节由伺服电机主动驱动，在步态摆动期提供行走助力；膝关节则内嵌高刚度平面扭簧，在人体下蹲或膝关节屈曲时发生形变储存弹性势能，在站立伸直时释放，为膝关节提供被动弹性支撑，减轻股四头肌负担。这种设计实现了重力支撑（通过刚性结构传递至地面）与运动助力（通过主动与被动关节实现）的物理解耦与功能协同。
第二阶段：运动学与动力学建模分析。 结构确定后，研究团队建立了精确的数学模型以描述系统行为并为控制器设计提供基础。
- 运动学建模： 采用指数积（Product-of-Exponentials, POE）方法进行正运动学分析。对于肩部单自由度旋转关节，建立了绞盘转角与肩托旋转角之间的传动关系，并推导了逆运动学解析解。对于下肢2自由度平面串联机构（髋、膝关节），推导了末端（足部）位置与关节角度之间的正逆运动学方程，并选择伸展解以匹配人体自然步态。
- 动力学建模： 采用拉格朗日法建立系统动力学方程。肩部模块的动力学方程考虑了绞盘和肩托的转动惯量、铅衣重力负载、电机扭矩以及鲍登线传动中复杂的非线性摩擦（建模为库仑摩擦与黏滞摩擦的组合）。下肢模块的动力学方程以矩阵形式表达，包含了惯性矩阵、科氏力与离心力项、重力向量、髋关节主动驱动力矩、膝关节扭簧提供的弹性力矩以及关节摩擦向量。这些模型精确刻画了系统的力学特性，特别是绳驱动的非线性和下肢主被动混合特性，是后续设计高性能控制器的关键依据。
第三阶段：控制策略设计与算法介绍。 针对上下肢模块的不同功能与动力学特性，研究团队分别设计了混合控制策略。
- 肩部支撑系统控制算法： 为了高精度补偿鲍登线传动中的非线性摩擦和迟滞，实现精准的张力跟踪，提出了一种结合反向传播（Backpropagation, BP）神经网络前馈和模糊PID反馈的混合控制策略。前馈部分：构建一个三层BP神经网络，以期望的位置、速度、加速度作为输入，直接输出克服非线性摩擦所需的前馈扭矩。网络权重可在线自适应更新，以应对不同铅衣负载（如10kg与15kg）的变化，具备“即插即用”特性。反馈部分：采用模糊PID控制器，以张力误差及其变化率为输入，在线实时调整PID增益，用于消除前馈补偿后剩余的误差和扰动。最终控制量为前馈与反馈扭矩之和。
- 下肢助力系统控制算法： 目标是使外骨骼在行走时能柔顺地顺应人体运动意图。研究设计了一种基于李雅普诺夫（Lyapunov）稳定性的自适应导纳控制器。该控制器采用双闭环结构：外环为导纳控制环，根据实测的人机交互力与期望的导纳模型（虚拟质量、阻尼、刚度）生成柔顺的轨迹调整指令；内环为PD位置控制环，负责精确跟踪外环生成的调整后轨迹。创新点在于外环的导纳参数（虚拟阻尼和刚度）不再是固定的，而是通过基于李雅普诺夫稳定性理论设计的自适应律进行在线动态调整。当检测到较大的交互力或运动突变时，系统能自动降低虚拟刚度、增加虚拟阻尼，从而吸收冲击、抑制振荡，实现动态柔顺性；在平稳运动时则恢复参数以保持跟踪精度。这种机制有效解决了传统固定参数导纳控制中稳定性与柔顺性之间的矛盾。
第四阶段：仿真验证与结果分析。 所有控制算法均在MATLAB/Simulink软件平台进行仿真验证，设置了多种接近真实临床场景的测试工况。
- 肩部支撑机构仿真分析： 模拟了三种工况：①可变弯腰角度（30°和60°）；②可变弯腰速度（快速与慢速）；③可变有效负载（10kg和15kg）。仿真结果表明：混合控制器在所有工况下均表现优异。张力跟踪误差能在1.5秒内收敛至零附近，稳态误差控制在±2%以内。肩托转角响应平滑无超调，即使在负载突变时，基于神经网络的自适应前馈也能快速补偿，显示出高精度、高稳定性与强抗干扰能力。这确保了在实际手术中，外骨骼能实时、无感地抵消铅衣前倾力矩，保障医生上半身姿态稳定。
- 下肢助力机构仿真分析： 首先验证了自适应导纳控制的基本功能：在梯度变化和双阶跃变化的外部交互力作用下，系统能产生与外力成比例的、平滑的轨迹调整，证明了其主动顺应人体运动意图的能力。随后，进行了对比性能评估：将提出的自适应导纳控制器与固定低阻尼参数、固定高刚度参数的控制器在双阶跃外力干扰下进行对比。固定低阻尼控制器产生了明显的振荡现象；固定高刚度控制器则表现出轨迹滞后和卡顿。而自适应控制器能动态调节参数：在力突变时增加阻尼以抑制振荡，降低刚度以产生顺应性位移缓冲冲击，从而显著缩短调节时间，实现了既快速平滑又柔顺的轨迹跟踪。这解决了在狭小手术室中，医护人员步态多变、易受突发干扰情况下的运动卡顿和振荡问题，提升了安全性与舒适性。
四、 主要研究结果及其逻辑关联
本研究通过系统的设计、建模与控制仿真，获得了一系列环环相扣、相互支撑的研究结果。
首先，在构型设计层面，提出的模块化、机电解耦结构是后续所有研究的基础。上肢绳驱动与可旋转肩托的设计，直接针对了“消除剪切力、动态补偿前倾力矩”这一具体问题，为肩部的高精度张力控制设定了被控对象。下肢“主动髋+被动膝”的混合设计，则明确了“摆动期主动助力、支撑期被动储能”的功能划分，为下肢的导纳控制设定了目标——即主要调节髋关节力矩以顺应摆动。
其次，基于构型的精确动力学模型是控制策略成功的理论前提。肩部模型中包含的非线性摩擦项，直接驱动了采用神经网络进行前馈补偿的控制思路；下肢模型中包含的人机交互力项，则是设计导纳控制器的直接输入。模型准确性保证了仿真验证的有效性。
第三，控制算法的仿真结果强有力地验证了构型与模型设计的合理性，并展示了系统的优越性能。肩部控制的仿真结果（快速收敛、低稳态误差、无超调平滑响应）表明，所设计的机械结构配合混合控制策略，能够完美实现“动态精密支撑”的设计目标，解决了被动外骨骼无法适应姿势变化的问题。下肢控制的仿真结果（动态顺应、消除振荡与滞后）则表明，自适应导纳控制策略成功赋予了外骨骼“智能柔顺”的助力特性，解决了固定参数控制器在人机交互中的固有矛盾。
这些结果之间存在清晰的逻辑递进关系：创新的构型设计提出了具体的工程问题并形成了物理系统 -> 针对该物理系统建立精确的数学模型以描述其行为 -> 基于模型特性设计专门的控制算法以解决核心问题（非线性补偿、柔顺交互）-> 通过仿真验证，证明从构型到控制的全套方案能够有效达成减轻医务人员负担的最终目标。每一步的结果都是下一步的基础，并共同支撑起最终的研究结论。
五、 研究结论与价值意义
本研究成功提出并验证了一套用于支撑铅衣的主动式外骨骼机器人完整解决方案。结论表明：1）所设计的模块化、机电解耦外骨骼构型是可行的，能够有效实现铅衣重力向地面的转移，并在动态动作中通过肩部角度调整和下肢主被动混合驱动提供支撑与助力。2）针对肩部绳驱动系统非线性特性设计的“BP神经网络前馈+模糊PID反馈”混合控制策略，在不同弯腰角度、速度及负载下均表现出极高的张力跟踪精度与稳定性。3）针对下肢人机交互设计的基于李雅普诺夫稳定性的自适应导纳控制器，能够根据交互外力动态调整参数，有效消除了固定参数控制器产生的振荡、滞后等问题，实现了平滑、顺应的轨迹跟踪，显著提升了人机协作的柔顺性与安全性。
该研究的价值体现在：科学价值方面，它为可穿戴助力机器人领域贡献了一种针对特定重载、高精度需求场景的“静态支撑与动态助力协同”的系统设计范式，并提供了处理绳驱动非线性摩擦和实现变导纳柔顺控制的有效算法范例，丰富了外骨骼机器人的设计理论库与控制方法库。应用价值方面，该研究直接面向介入手术等医疗场景中紧迫的职业健康问题，提出的原型系统有望显著降低医护人员的肌肉骨骼劳损风险，具有明确的临床转化前景和社会效益。
六、 研究亮点
本研究的亮点突出体现在以下几个方面：
- 问题导向的创新构型： 针对铅衣支撑的特殊需求，创新性地设计了可旋转肩托与“主动髋+被动膝”的下肢混合机构，实现了功能上的精准解耦与协同，构思巧妙。
- 针对性的高级控制策略： 并非采用通用控制器，而是深度结合被控对象特性：利用神经网络补偿绳驱动非线性，利用自适应导纳应对人机交互不确定性，体现了“具体问题具体分析”的深度定制化设计思想。
- 全面的仿真验证： 设置了多角度、多速度、变负载以及阶跃外力等多种逼近真实场景的苛刻测试工况，充分验证了系统在复杂条件下的鲁棒性和性能优势，论证严谨。
- 明确的工程实现路径： 从建模、控制设计到仿真，研究呈现了一套完整、清晰且可复现的技术开发流程，为后续物理样机的实现奠定了坚实基础。
七、 其他有价值内容
文中还提及了未来的工作计划，即侧重于物理样机的改进，并计划在模拟真实临床介入手术场景中进行系统级实验验证。届时将通过表面肌电信号（sEMG）采集与代谢消耗分析等定量生理指标，全面评估该外骨骼在实际使用中的减负效能与运动助力表现。这指明了该研究从仿真走向实践、从理论走向应用的关键下一步，增强了整个研究工作的延续性与实际意义。