《Applied Sciences》：Hamiltonian Modelling and Hierarchical Sliding-Mode Control of a Cable-Driven Soft Exoskeleton for Lower-Limb Rehabilitation Assistance
编辑推荐：
软体外骨骼作为可穿戴机器人设备，在下肢康复和辅助移动方面引起了越来越多的关注。本研究提出了一个面向矢状面内工作的缆索驱动软体外骨骼的集成建模、控制和机械设计框架，针对行动能力下降的老年用户。使用欧拉-拉格朗日公式推导了下肢摆动相动力学，随后通过勒让德变换将其改
软体外骨骼作为可穿戴机器人设备，在下肢康复和辅助移动方面引起了越来越多的关注。本研究提出了一个面向矢状面内工作的缆索驱动软体外骨骼的集成建模、控制和机械设计框架，针对行动能力下降的老年用户。使用欧拉-拉格朗日公式推导了下肢摆动相动力学，随后通过勒让德变换将其改写为肌腱驱动下髋-膝耦合系统的哈密顿表示。在该模型基础上，开发了一种分层控制架构，将用于角度调节的准滑模控制（Quasi-Sliding Mode Control, QSMC）与用于共轭动量动力学的滑模控制（Sliding Mode Control, SMC）相结合。基于李雅普诺夫的稳定性分析正式确立了闭环系统的渐近稳定性，并导出了在有界扰动下实现鲁棒跟踪的显式增益条件。同时，设计了一个紧凑的绞盘式驱动模块，并使用遗传算法进行几何优化，以最小化远端质量，同时保持机械坚固性和人体工程学可穿戴性。该框架通过MATLAB–Simulink?中的数值模拟和MuJoCo–ROS2环境中的基于物理的模拟进行了验证，其中考虑了重力、接触相互作用和缆索顺应性。开发了一个模块化机械原型，并由具有不同人体测量特征的用户穿戴，以对其贴合性和结构可行性进行静态定性评估。这些结果为将来将嵌入式传感和驱动硬件集成到实验性康复评估中奠定了坚实基础。
近年来，软体外骨骼作为传统刚性外骨骼的轻量替代品，在辅助移动和康复训练中展现出广阔前景。与依赖刚性框架的传统外骨骼不同，软体外骨骼采用柔性接口和柔性传动机制，能够在保持自然关节运动的同时提供辅助力。然而，当前针对软体外骨骼的控制研究仍相对滞后，许多控制方法基于简化动力学模型或纯运动学模型，未能完整捕捉肌腱驱动引入的非线性关节耦合和能量交换。此外，缆
