下肢外骨骼的动态不确定性优化设计研究

发布时间：2020-09-22 07:54

　　下肢外骨骼是一种可穿戴在人体下肢,增强或恢复人体下肢运动机能的人机一体化机械系统,可以通过增强正常人的行走速度和负重能力用于单兵作战、极地考察、地震援救等特殊作业环境,而且可以为下肢功能障碍者提供行走助力和康复训练。鉴于下肢外骨骼在军事、太空探索、医疗康复和助老助残等领域具有广阔的应用前景,下肢外骨骼的研究在各个领域日趋迫切和深入。下肢外骨骼是一种典型的人机高度耦合系统,因此穿戴者的安全性和舒适性是衡量穿戴性能的重要指标。此外,节能和轻量化也将成为下肢外骨骼发展的重要趋势。因此,研究下肢外骨骼系统的安全性、舒适性和节能具有重要的现实意义。在下肢外骨骼服役过程中存在诸多不确定性因素,这将影响下肢外骨骼系统的运动性能,导致下肢外骨骼运行轨迹与人体运动轨迹产生差异,发生人机碰撞,对穿戴者的舒适性和安全性造成影响,当人机耦合过程中的不一致性过大时会对穿戴者造成伤害。本文将针对下肢外骨骼运行过程中的安全性、舒适性以及节能等要求,在设计阶段开展下肢外骨骼系统动态不确定性设计研究,主要内容和创新性成果总结如下:(1)基于人体下肢运动特性,提出了下肢外骨骼结构设计模型为实现机构灵巧、人机耦合高度契合、穿戴安全舒适的下肢外骨骼结构设计,充分研究了人体下肢运动特性,建立了人体下肢关节角运动轨迹函数、运动学正逆模型及相关求解算法。据此,采用不完全匹配人体运动学的半拟人化设计,合理配置下肢外骨骼驱动自由度和驱动关节,建立下肢外骨骼虚拟模型,为下肢外骨骼动态不确定性设计提供了输入。(2)建立了基于内部不确定性的下肢外骨骼人机耦合一致性模型并提出了两种时变可靠性分析方法为了衡量下肢外骨骼系统在内部不确定因素影响下的安全性,以下肢外骨骼实际轨迹与穿戴者理论轨迹的跟随程度定义了人机耦合一致性,揭示了人机碰撞规律。追踪内部不确定因素的来源和传递方式,考虑各个关节的相关性,建立了关节独立的一致性模型和关节相关的一致性模型。依据一致性模型的特点,提出了两种时变可靠性评估方法,揭示了内部不确定影响下的下肢外骨骼安全性演变规律。结果表明,随步态进程的推进,不一致性逐渐累积,安全性逐渐降低,为节能、安全性和舒适性设计提供了理论基础。(3)建立了考虑随机路面作用的下肢外骨骼人机耦合一致性模型并提出了一种多失效模式和多空间参数耦合的时变可靠性分析方法根据下肢外骨骼不确定性的来源,可将不确定性分为内部不确定性和外部不确定性,外部不确定性的主要来源是工况环境,即随机路面信息。考虑随机路面信息对下肢外骨骼末端轨迹的作用情况,以下肢外骨骼正运动分析为基础,以不确定影响下的实际末端轨迹与理论末端轨迹的差异程度为度量,分别建立了支撑相和摆动相的一致性模型。同时提出了多失效模式和多空间参数耦合的时变可靠性分析方法,得到了随机路面影响下的下肢外骨骼安全性变化规律,同样为安全性和舒适性设计奠定了理论基础。(4)建立了一致性节能优化模型并探寻了一种高效时变可靠性优化解耦算法依据下肢外骨骼选择的驱动关节和驱动器的配置方案,以能源消耗最大的液压驱动为设计对象,在保证下肢外骨骼正常驱动的情况下,建立了液压缸能耗模型。为了保证下肢外骨骼的安全性,构建了人机耦合一致性约束条件,以液压缸的配置尺寸为设计目标,建立了下肢外骨骼一致性节能模型。同时,提出了一种高效的时变可靠性优化解耦算法来求解液压缸最优配置方案,该解耦算法扩充了动态不确定设计的求解方法。研究结果显示,相比确定性的节能优化,一致性节能优化模型在保证下肢外骨骼安全性上有显著优势。(5)建立了下肢外骨骼安全性设计和舒适性设计的统一框架并探寻了一种时变可靠性稳健优化设计算法安全性和舒适性是下肢外骨骼动态不确定优化设计的两个基本属性,在下肢外骨骼设计过程中需要同时满足。追踪不确定性因素在下肢外骨骼系统中的传递途径,根据稳健性的内涵,以不确定条件下关节角的波动程度来刻画下肢外骨骼的舒适性,建立了表征舒适性的稳健性能函数;根据一致性的定义,以不确定条件下关节角的实际值与理论值之间的差值来描述下肢外骨骼安全性,建立了表征安全性的一致性性能函数。最终建立了下肢外骨骼一致性稳健设计的统一模型,真正实现了安全性设计和舒适性设计的结合,形成了下肢外骨骼动态不确定性设计体系。一致性稳健模型表现为多失效模式和多空间参数耦合的时变可靠性稳健设计问题,据此,提出了一种求解算法,丰富了动态不确定性设计理论体系和求解方法。
【学位单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TH77
【部分图文】：

外骨骼,下肢

机器人并不断对其性能进行优化，麻资助下研制出了下肢助力外骨骼机器利分校 2004 年研制的 BLEEX 下肢能够负重的下肢外骨骼外机器人[3-7]力机械腿、一个电源和一个可安装各节（髋关节、膝关节和踝关节）、7 个 3 个）和 4 个液压缸驱动。4 个液压缸关节弯曲/伸展以及踝关节弯曲/伸展 4簧辅助驱动。基于下肢外骨骼动力学”方法，实现了人机的跟随运动。由使执行效率不高，实用性较低。其研节跟随控制代替主动控制，简化外统可以跟随人体动作进行运动，适合oClimber 系统，该系统最大可负重 90格外重视[6]。

外骨骼,下肢

电子科技大学博士学位论文美国洛克希德马丁公司基于加州大学伯克利分校的下肢外提升士兵负重能力，对 BLEEX 进行了军事化的工程技术改种金属骨架—“人类负重外骨骼”（HumanUniversalLoadC1-2 所示，该款外骨骼增加了上肢辅助功能，能够通过提供机动性的需求，提高士兵在各种复杂环境下的负重能力，能0Kg 的情况下以 4.8m/s 的速度长时间行走。同时，基于 H国 Berkeley Bionics 公司开发了 eLegs（Ekso）康复助行外

外骨骼,下肢,踝关节

第一章绪论展自由度安装磁流变阻器，在踝关节安装分离弹过磁流变阻尼器锁死膝关节，利用安装于踝关节系统的重力势能和动能，并在合适的时候释放。系统自重仅有 11.7kg，在零负重的情况下，保证系在负重能力 36kg 的条件下，能够保持 1m/s 的速度体会产生额外代谢耗能，并且高达 10%。

【参考文献】