机械工程学报

作者：王泽正, 包颖炜, 李慧莱, 李驰, 孙茂文, 欧阳小平

单位：1. 浙江大学机械工程学院 杭州 310058;2. 浙江大学流体动力基础件与机电系统全国重点实验室 杭州 310027

关键词：外骨骼机器人,控制器硬件,实时性,任务调度,算力优化；

基金：教育部联合基金(8091B042201); 国家自然科学基金(52305077,U2141209)。

外骨骼机器人在多个实验室环境中取得了成功，但实际部署中仍面临着一系列与控制器硬件相关的挑战，包括控制器体积过大，实时性不足，计算资源瓶颈等问题。为了解决这些问题，开发了一套用于外骨骼机器人的具有可扩展性的硬件电路系统，同时兼顾了实时性和高算力特性。通过对控制器硬件信号流向进行建模，优化通信线路和流量分配，降低了系统通信延迟。根据外骨骼机器人在空间和时间上对算力需求的差异，设计了基于步态的实时任务调度算法，优化了算力分配。通过并行流水和模块折叠复用的方式来设计运算加速器，有效减少了硬件资源的消耗，提高了系统算力。开展了控制器实时性测试、算力测试和助力外骨骼机器人负重行走试验。经测试，所设计的控制器主从通信延迟小于20μs，算力功耗比15 GOPS/W，相比于主流控制器架构具有低延迟高算力特性。在平地，上下坡负重行走体现出良好的跟踪效果，为外骨骼机器人更广泛的应用打下了硬件基础。

来源：2025年第15期

《机械工程学报》期刊编辑部

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