面向弱能人群的下肢外骨骼研制及安全控制策略研究

发布时间：2020-08-26 08:34

【摘要】：外骨骼系统作为一种穿戴式机器人装置,与轮式设备相比对复杂地形的适应性更强,因此被广泛应用于军事、救援、工业和医疗康复领域。本课题设计的轻型外骨骼系统主要面向老年人等下肢弱能人群,帮助其增强下肢力量和运动能力,降低行走、起坐等过程中的体力消耗。针对外骨骼的应用对象和使用场合,本文论述了外骨骼系统的设计,包括机械结构的设计及传感与控制系统的设计,控制算法及控制策略的研究和相关实验测试及验证。考虑到使用人群为老年人等下肢弱能人群,本课题外骨骼的设计采用拟人化的方法,保证所需自由度及关节活动空间、输出力矩及关节角速度满足使用要求的前提下,通过使用碳纤维材料和合理的结构设计降低外骨骼整机质量,提高穿戴的便利性和舒适性。稳定可靠、检测精度较高的传感与控制系统是外骨骼系统实现目标功能和具备较好实用性的前提。本文中的外骨骼设计集成了由背部姿态模块、关节角度传感器、力矩传感器和脚底压力传感器构成的传感系统,为外骨骼的控制提供必要的运动信息。使用PC104作为外骨骼系统的控制器,建立了具有主从结构的实时仿真系统,编程效率高,运算速率快。传感与控制系统采用CAN总线的通信方式,具有较高的通信效率和可靠性。针对使用对象为下肢弱能人群,外骨骼系统的控制策略需满足助力和安全两方面的要求。本文使用浮动坐标基作为建立关节空间坐标系的原点,建立了统一形式的动力学模型,使控制力矩的计算不再区分支撑相和摆动相。结合灵敏度放大方法建立了对人机耦合系统的前馈控制,为穿戴者的运动提供助力。基于ZMP和捕捉点理论,在外骨骼控制系统中集成了安全控制策略,在运动过程中实时评估系统的平衡状态,在即将进入动态不平衡状态时为外骨骼系统关节提供修正力矩,帮助穿戴者保持身体平衡,提高外骨骼使用的安全性。最后完成了外骨骼系统的装配和集成,针对外骨骼的使用场合,通过相关实验对其使用性能和文中提出的控制策略进行验证。进行了穿戴外骨骼的平地行走、上楼梯和起坐实验,验证外骨骼的助力性能和前馈控制的有效性和稳定性。进行了平衡实验,对站立和行走状态下的平衡进行了分析,验证所提出的平衡状态评估和平衡恢复策略的有效性。
【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】：

患者,外伤,老人,下肢

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第 1 章绪论题研究的背景和意义社会发展水平的提升，人口老龄化问题日益凸显，且不会因社失。根据世界卫生组织报告，世界人口正在加速老龄化，从 2015及以上的老年人口数量将由 9 亿增长为 20 亿，占世界总人口数增长为 22%[1]。根据中国人口普查数据，截至 2016 年底，60 岁数量已超过 2.3 亿，占总人口的 16.7%。老年人下肢力量减弱，力下降，正常活动受到限制，此外，跌倒严重威胁到老年人的全，由此引发的伤病使老年人的生活方式和生活质量受到严重给家庭带来沉重负担，加之老年人口规模巨大，对家庭的日常服务提出了严峻的挑战。

外骨骼,医疗康复,医学技术,以色列

如图1-2 所示，髋关节和膝关节为主动关节，由直流电机驱动，踝关节为动作矫形器使踝关节的运动保持在一定范围内，在背曲方向有弹簧结构辅助运动，并且通过螺钉连接调节弹簧张力。传动系统采用行星齿轮减速器和锥齿轮组合的形式，使电机竖向放置。腿长及腰宽可进行调节以适应不同身高体型的穿戴者。穿戴者使用手腕移动设备与外骨骼系统进行人-机交互，激活相应的运动模式，外骨骼根据躯干的角度传感器信息和预存的成人步态数据带动穿戴者。目前可以实现辅助残疾人站立、平地行走以及上下楼梯，已经获得了康复中心以及个人应用许可。图 1-2 以色列 Argo 医学技术公司的 Rewalk 外骨骼表 1-1 辅助医疗康复外骨骼参数名称自重/kg驱动方式反馈与控制行走速度/-1(km h )工作时间/minRewalk 23.2 电机姿态检测、智能腕带、智能拐杖 1.6 1440Ekso 20.0 电机姿态检测、脚底压力、智能拐杖 3.0 360HAL-5 23.0 电机生物信号、姿态检测、脚底压力 4.0 160Indego 12.2 电机姿态检测、智能拐杖 0.8 —Rex 38.0 电机腰部摇杆、关节角度 — 1440应对摔倒的策略目前大致有三类：（1）依靠主动检测及平衡恢复维持外骨骼和穿戴者的平衡，避免摔倒；（2）在异常断电或其它不可避免摔倒的情况下调整穿戴者姿势，降低摔倒造成的损伤；（3）增加看护人员，防止摔倒情况的发生。Rewalk 外骨骼不具备主动防止摔倒机制，而是在断电后会缓慢切换至坐姿，可以在一定程度上降低摔倒造成的损伤[15]。美国加州大学伯克利分校早起主要研究单兵作战外骨骼，2010 年转向民用医疗外骨骼方向

外骨骼,伯克利

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 Ekso 下肢外骨骼机器人[18]，如图 1-4 所示。Ekso 外骨骼自的认知能力、关节运动范围、身高和体重具有要求。可，体重不超过 100kg 的穿戴者。外骨骼髋关节和膝关节由电在后背的锂电池，控制器布置于后背的控制盒内，可外接肢体姿态信息、脚底压力信息配合智能拐杖实现对外骨骼初用于辅助穿戴者在物理治疗师的帮助下进行肌肉和神经进，在智能拐杖中安装运动传感器与外骨骼进行实时通讯完全控制，在外骨骼的辅助下进行站立和行走，目前已获并在美国与欧洲进行使用测试。在应对摔倒方面，Ekso 外防机制，而是在设备异常断电时，采用膝关节锁死，髋关在设备断电后维持穿戴者及外骨骼的稳定[15]。

【相似文献】