并联上肢助力外骨骼机器人系统研制

发布时间：2020-08-24 20:25

【摘要】：针对现存的上肢助力外骨骼负载能力弱,出力-自重比低等问题,本文提出了一种并联驱动构型的上肢助力外骨骼机器人的设计方法。这种外骨骼在具有强劲的输出能力同时,自身重量也能够限制在一个较低的水平内。本文详述了这种外骨骼机器人的构型设计,系统搭建,建模与控制方法实现等内容,最终通过实验验证了装置的助力性能。在机械结构设计部分,通过静态仿真分析对比了串并联结构在助力方面的优缺点,确定了外骨骼构型设计思路。在完成了对外骨骼的结构参数的建模及优化后,基于设计要求及仿真结果对驱动关节完成了选型与校核,随后运用拓扑优化及有限元分析等多种方法对外骨骼本体结构进行了设计,以此实现装置轻量化与高强度化。针对并联机构的运动特点,搭建了稳定可靠的控制传感回路并对主要器件进行了设计与选型。控制算法的实现效果依赖于系统建模的精准程度,根据理论模型搭建了并联上肢外骨骼的坐标系系统,根据坐标变换中得到的约束方程对并联机构的正逆运动学进行了解析的求取。针对系统能够直接测得多余坐标的特性,采用凯恩法建立了外骨骼臂部的动力学模型,得到了完整且完全解耦的惯性力补偿方程。随后通过实验测定了关节实际运动中的摩擦阻力并通过辨识方法得到了摩擦模型具体参数。基于这些模型,建立了包含力矩补偿的外骨骼运动导纳控制算法,并且根据并联机构的特点设计了被动关节避奇异方法,提升了装置运动的连续性与可靠性。最后,在完成了并联上肢助力外骨骼制造装配过程以后,设计并进行了主动关节力矩补偿实验与被动关节避奇异实验等,验证了理论补偿模型建立的正确性与控制规划方法设计的合理性。以此为基础,操作者穿着外骨骼完成了对于重型负载的辅助搬运实验,通过对比人机交互力与生理信号的变化,验证了外骨骼在大负载上肢劳动中所起到的效果。实验结果验证了系统设计的合理性与控制算法的可行性,最终上肢外骨骼自重12.7kg,能够举起22kg负载,助力-自重比达到1.73,满足设计要求。
【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】：2019
【分类号】：TP242
【图文】：

外骨骼,公司,上肢

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文骨骼（EHPA, Exoskeleton for human Performance Augmentation）了众多研究机构及企业参与。自此，外骨骼领域的研究开始受到瞩目。在研究上肢助力型外骨骼的研究机构与企业中，突出的成美国、日本等一些传统科技强国中。其中一些上肢外骨骼装置是骼的一部分出现的，另外一些则是单独的上肢外骨骼系统[10]。身外骨骼系统中的上肢助力外骨骼美国雷神公司“XOS”国国防高级研究计划局（DARPA）设立的外骨骼的研究项目的支雷神公司研发了一系列全身式外骨骼。该公司设计的外骨骼通行驱动。这样的驱动方式可以提供很高的输出功率，使得外骨骼大的助力力矩。SARCOS 公司推出的三种外骨骼机型都采用了计，即单臂 7 自由度和单腿 7 自由度。在上肢驱动选取方面，“X了单臂 5 个主动自由度的驱动，这使得“XOS”能够实现击穿木、俯卧撑等复杂的上肢运动能力[11]。

外骨骼,上肢,关节,外观

图 1-3 AXO-SUIT 外骨骼外观及上肢部分关节分布1.2.1.2 上肢助力外骨骼美国宾夕法尼亚大学“RUPERT”宾夕法尼亚大学的 Jiping He, E.J. Koeneman 等研制了一系列命名为RUPERT 的上肢外骨骼机器人，经过四代的发展，最后其自由度设定为肩关节2 个自由度，肘关节 1 个自由度，腕关节 2 个自由度。基本驱动方式为气动肌肉驱动，由于气动肌肉只提供拉力的特性，其在肘关节上布置了两个气动肌肉以克服肘关节运动所产生的负载力。在肩关节和腕关节上分别布置了一个气动肌肉，用以克服重力方向的载荷[19-20]。在控制方面，提供了位置和交互力反馈信息，通过力闭环控制的方式来完成对人体运动的跟随。

外骨骼,宾夕法尼亚大学,韩国汉城,上肢

图 1-3 AXO-SUIT 外骨骼外观及上肢部分关节分布肢助力外骨骼国宾夕法尼亚大学“RUPERT”法尼亚大学的 Jiping He, E.J. Koeneman 等研制了一系列命的上肢外骨骼机器人，经过四代的发展，最后其自由度设定为肩，肘关节 1 个自由度，腕关节 2 个自由度。基本驱动方式为气由于气动肌肉只提供拉力的特性，其在肘关节上布置了两个气动关节运动所产生的负载力。在肩关节和腕关节上分别布置了一个以克服重力方向的载荷[19-20]。在控制方面，提供了位置和交互力过力闭环控制的方式来完成对人体运动的跟随。

【相似文献】