主被动结合式下肢助力外骨骼机器人研制

发布时间：2019-11-05 17:05

【摘要】：外骨骼系统是用来穿戴的机器人,可以有效提高人的运动能力,主要在军事、工业、医学等领域应用。本课题的主被动结合式下肢助力外骨骼机器人AP-EXO,主要应用于单兵作战和工业搬运场合,为穿戴者提供助力,达到有效降低穿戴者负重感的目的。针对外骨骼的应用目的和场合,论述了外骨骼的机械系统设计、控制与检测系统设计、控制策略研究、相关实验测试及结果分析。简易实用的机械本体是课题开展的基础。外骨骼参考人体工程学和相关运动数据,采用拟人化的构型设计。在能够承受目标载荷的条件下,尽量减小整体质量和外形尺寸。外骨骼采用主被动结合的驱动方式,利用重力平衡原理平衡下肢自重,通过四连杆变速比的机构驱动主动关节,实现小自重、大出力的目的。稳定可靠的控制与检测系统是深入研究的必要条件。外骨骼采用DSP与ARM结合的主控单元,设计了基于CAN总线的分布式控制系统。设计霍尔角度检测模块,用于姿态检测和控制模型建立。在足底设计运动状态辨识模块,包括柔性压力检测和按键接触检测,有效判断穿戴者运动状态。在驱动单元中,设计用于人机交互检测的双量程力传感模块,结构简单,精度较高,有效保证控制算法实施。安全有效的控制策略是外骨骼功能实现的关键。建立外骨骼相应的坐标系,进行运动学分析。应用牛顿欧拉法进行动力学建模,实现对各位置和各关节力的求取。在支撑相使用线性三维倒立摆模型进行重力补偿,结合灵敏度放大法,达到良好的跟随运动与支撑助力效果。在摆动相使用双量程传感器检测人机交互力,预测主动关节运动趋势,作为力反馈信号,构成力闭环的控制策略,满足人机随动的使用目的。并在摆动相使用卡尔曼观测器估计交互力信号,提供正反馈的预测补偿,达到更快速的跟随运动效果。外骨骼系统装配集成,进行相关实验测试与结果分析。进行单关节性能实验,包括主动关节的跟随性测试和被动关节的平衡效果测试;在此基础上完成负重蹲起实验、连续行走实验、穿戴者负重感测试、外骨骼机动性测试、复杂路面运行测试。验证外骨骼在支撑相和摆动相的控制策略的有效性,验证系统助力效果和运动跟随效果,满足自重15kg,最大负重70kg,最大行进速度5km/h的设计指标。
【图文】：

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世纪开始研究，主要在欧美等发达国家中展开，最初的代研制的 Hardiman 全身外骨骼[13]，主要用于提高人体承重能的研究，揭示出助力外骨骼研制的重要技术。化的需求，对单兵作战能力要求也随之增加，助力外骨骼士兵单兵作战的负重能力，延长负重时间。4 年研制的第一代单兵助力外骨骼 BLEEX[14]-[16]（Berkeleyleton）。该下肢外骨骼采用液压缸带动各关节的转动[18]-[19]，自由度，膝盖有 1 个自由度，脚踝包含 3 个自由度，，通过来改善人体下肢的协调性。整个系统在背负34kg 的情况下，，并且保证人体的承重感觉在2kg 以下。而后在 BLEEX 的力外骨骼 Exo-Hiker 和 Exo-climber，其中，Exo-Hiker 采动力的方式，适用于距离和时间较长负重行走；Exo-climber驱动方式，适用于距离和时间长地进行负重上下山和楼梯

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称自重/kg最大负载/kg行进速度/km/h运行时间/hEEX 50.0 34 3.0 2o-Hiker 14.1 68 4.0 21o-climber 23.0 68 4.0 2LC 27.6 91 4.8 2神公司使用了液压驱动设计制作了整个身体的助力外骨骼产品 XOS-17]如图 1-2。XOS 外骨骼自身质量95kg ，在抬起90.7kg 的重量情况时受到9kg 的承重感觉，以5k m /h的速度正常行进40min 。XOS-2 整个身由度，每条腿包含 6 个自由度，每条手臂具有 5 个自由度，腰部有 1 OS-2 能够单个手臂平抬起23kg 的重量，一支手敲开 3 寸厚度的木头材统使用液压带动，能量使用率较低，泵站等供源系统需提供很大能量正常的集成安装到外骨骼产品中，只能在外面提供能量的情况下才可用非常的不方便。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TP242

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