主被动结合式全身外骨骼助力机器人研究

发布时间：2020-08-02 11:47

【摘要】：随着科学技术的发展,人体能力增强方面的研究思想和需求渐渐的得到了人们的重视,其应用领域从生活上看可以解决老年人和残疾人行动不便的问题,从工作上看,可以帮助人们实现正常体能完成不了的负载工作,例如托举搬运大质量的货物,或者长时间背负质量执行各种特殊任务等。而外骨骼机器人作为一种穿戴式助力机器人渐渐引入人们的视野中,其可以将人的智商和机器的能力进行有机的结合,在不影响人体运动的同时,实现超出人体能的功率输出。它非常适合助老助残或者给人体提供额外助力方面的应用,并且也可以作为子系统应用在地震救援、消防抢险、野外行军以及航天航空等方面。目前国内对外骨骼的研究已经初具规模,产生了诸多的上下肢外骨骼样机,但是具有全身功能的外骨骼系统,以及能够进行复杂路面行走,并且执行托举搬运功能的研究成果并不多见,另外对于全身外骨骼的建模以及控制系统的研制还处于比较初级的阶段。本文通过面向托举搬运功能的全身助力外骨骼系统的研制,根据上下肢的运动特点进行合理的创新设计,使其具有大负载的能力,并且对人体运动辨识、全身外骨骼系统控制都进行了深入的探讨,最后,通过具体的验证演示实验,证明的本文外骨骼理论的实践效果。在上肢外骨骼的设计难点在于由于其负载时力臂较长所以很难实现大载荷的负重效果,本文通过利用气弹簧被动储能结构实现了以被动方式代替主动方式的上肢外骨骼结构,并且在解决了电机力矩问题的同时,相较于传统的弹簧结构而言,通过气弹簧平衡结构的运用也增加了结构的紧凑性,然后根据气弹簧的具体出力性能对结构进行了优化,使得整体平衡性能得到了提升。最后,根据整体系统的调整时间和能力,对控制方式进行了设计,为全身外骨骼整体系统运行奠定了基础。下肢外骨骼的设计和上肢外骨骼相比其具有更复杂的运动方式,本文先进行了人体解剖学以及人体在行走、蹲起、上楼以及下楼状态的仿真,从中获得了人体运动所需的运动范围和消耗功率,通过以上参数,对下肢外骨骼系统进行设计。在关节上通过连杆丝杠的结构实现了变减速比传动,使得外骨骼关节电机驱动力矩在各个角度上得到了合理分配,并通过具体仿真和结构需求,对连杆的位置的长度进行了优化计算,最后通过关节编码器、陀螺仪、足底压力信号以及连杆力信号等组合研制了一套下肢外骨骼的闭环控制方案。本文针对上下肢系统联合的特点,首先通过脚底压力反馈的信号,利用模糊神经网络对人体的运动相位进行了实时的辨识,为上下肢的联合建模控制提供重要的参数。在建模方面,针对上肢的结构的特点,将其等效成了变质心坐标的质量块,并且计算出其重心的位置矢量,在下肢的动力学建模中通过上肢重心的位置矢量计算结果,对模糊神经网络计算出的人体相位辨识情况进行了分别的动力学分析,得出了不同相位的动力学模型。最后,通过动力学模型的结果,并利用连杆的交互力反馈实现了基于灵敏度放大前馈的力闭环的控制方法,从而达到了全身外骨骼的稳定助力行走的效果。为了测试外骨骼机器人的助力效果,搭建了包括外骨骼机器人本体以及模拟实验场地的平台。试验分为上肢外骨骼测试,下肢外骨骼测试以及全身外骨骼助力性能测试三个部分。首先通过上肢外骨骼实验平台测试了上肢外骨骼的负载能力,以及其助力性能的评测。然后利用下肢外骨骼实验平台对外骨骼的穿戴舒适性、运动灵活性以及环境适应性进行了测试,并且通过关节运动数据以及人机交互数据对下肢外骨骼的负载性能以及速度能力进行了测试。最后,以穿戴全身外骨骼运动的形式,通过人机功效和生理测试等方面,来证明全身外骨骼的助力性能。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP242
【图文】：

外骨骼,助力,公司

第 1 章绪论并且利用下标代表自由度数量，其中 c（水平面转动自由度）、s（矢状面转动由度）、v（额状面转动自由度），故 SARCOS 公司外骨骼自由度布置可以表述Sc-s-v-Es-Wc-s-v-Hc-s-v-Ks-Ac-s-v。而在驱动的选取上基本实现了所有主动关节的驱分别为单臂 5 个驱动、腰部一个驱动、单腿 5 个驱动。这样的实现方式，使SARCOS 公司系类外骨骼具有跑、跳，甚至踢足球、俯卧撑等复杂运动能力[13]SARCOS 公司经过二代外骨骼的发展，在 2010 年公布了 XOS-2。对比前代外骨骼，XOS-2 选用摆动缸为主要执行元件，并且在材料和传感器方面进行全面提升，使得 XOS-2 能耗降低了 50%，并且实际重力与感知重量之比提升了 17:1。但是该系统仍然没有解决液压系统能源利用率低的问题，在实际使用需要配备专门的外设电源[14]。

外骨骼,日本,髋关节

哈尔滨工业大学工学博士学位论文髋关节、肩关节以及肘关节 4 自由度个为主动自由度，利用直流伺服电机来实现其驱动。在传感器方面，延续了前代的肌电信号的传感方式，并增加上肢位置角度信息融合算法，实现上下肢的联合控制。 HAL-5C 和 HAL-5LB 为助老助残型下肢外骨骼，主要针对于行动不便的病人或者老年人来使用的。两者针对与不同程度残疾情况，在结构上有所区别。HAL-5C 在膝关节和髋关节上设有驱动电机，并取消了踝关节的设计，主要针对于复健和老年人等轻度伤残的人群。而 HAL-5LB 在踝关节、膝关节和髋关节上设置了三组电机，可以实现助行即协助站起的功能效果[17-21]。

法国,外骨骼,踝关节,髋关节

HAL-5C 和 HAL-5LB 为助老助残型下肢外骨骼，主要针对于行动不便的病人或者老年人来使用的。两者针对与不同程度残疾情况，在结构上有所区别。HAL-5C 在膝关节和髋关节上设有驱动电机，并取消了踝关节的设计，主要针对于复健和老年人等轻度伤残的人群。而 HAL-5LB 在踝关节、膝关节和髋关节上设置了三组电机，可以实现助行即协助站起的功能效果[17-21]。 a) HAL-1 b) HAL-3 c) HAL-5(Type-B) d) HAL-5(Type-C) e) HAL-5LB(Type-C)图 1-2 日本筑波大学 HAL 系列外骨骼Fig.1-2 Powered exoskeleton series by University of Tsukuba

【参考文献】