下肢外骨骼机器人主动助力关键技术研究

发布时间：2022-02-10 20:00

　　外骨骼是穿在人体上的一类特殊机器人,具有代偿、强化人体机能的作用,表现出巨大应用潜力。面向老年人行动辅助、士兵体能增强等新需求,主动助力技术亟待突破。主动助力是外骨骼领域极具挑战性的研究课题,它要求外骨骼主动感知穿戴者对力和能量辅助的需求,并主动辅助穿戴者运动,达到降低穿戴者肌肉疲劳和体能消耗的目的。本文以实现主动助力为目标,从人体运动意图感知切入,探索主动助力方法,构建人机协同控制架构,基于外骨骼固有的人机强耦合特性,研究下肢主动助力外骨骼系统设计,并开展主动助力效能实验研究。提出基于人体动力学模型的运动意图感知方法。分析人体运动意图的产生、传递与表达过程,并论证以关节力矩表征人体运动意图以实现主动助力的可行性;建立人体参数化动力学模型,针对逆动力学求解中存在的支撑相/摆动相动力学模型突变、多关节串联误差累计、双腿内力对抗等问题,提出通过测量人体足端接触力,将人体五杆动力学降维成单腿二杆动力学的逆动力学求解方案;通过人机耦合机制获取人体运动信息和足端接触力信息,实现人体关节力矩的在线解算。与运动捕捉系统的对比实验结果表明该方法精度良好,且适用于不同穿戴者的多种复杂运动。研究主动助力方... 

【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省211工程院校985工程院校

【文章页数】：137 页

【学位级别】：博士

【部分图文】：

下地行走的康Fig.1-2Rehabilitationexoskel

下地行走的康

第1章绪论-3-a)Lokomateb)Flexbot图1-1台架式康复训练外骨骼机器人Fig.1-1Benchtyperehabilitationexoskeletonrobot为了让患者能够下地行走，以色列的Rewalk[1]、美国的Ekso[11]、国内的Fourier、AiWalker[12]等助残外骨骼被发明，如图1-2所示，这些外骨骼摆脱了固定支架的束缚，患者通过手杖按钮和倾斜等动作向外骨骼传达站起、坐下、前进等简单动作指令，再由外骨骼按照预先设定的轨迹带动患者实现迈步和行走。为了确保行走的稳定性，通常需要拐杖做辅助支撑，同时外骨骼控制算法中集成了人体重心检测等辅助稳定行走的机制。这种预编程技术限制了穿戴者主动参与运动控制的诉求，限制了人体运动控制功能的发挥。鉴于此，人们开始研究人体步态分类与相位识别技术，使外骨骼能够与穿戴者互动。a)ReWalkb)Eksoc)Fourierd)AiWalker图1-2下地行走的康复训练外骨骼机器人Fig.1-2Rehabilitationexoskeletonrobotforgroundwalking1.2.2基于步态分类与识别技术的外骨骼机器人步态识别与相位识别[13-[15]技术的思想是将人的步态划分为行走、奔跑、上下台阶等步态类别，再进一步将一个步态周期划分为摆动起始、摆动结束、支撑起始等相位。图1-3b）所示外骨骼根据步态分类和相位识别的结果，结合步态样本曲线以及跨步时间、步长等参数来合成外骨骼的关节运动[16]，使其与人体步态协调运动。该技术在假肢[17]和偏瘫助行外骨骼[18]上应用较为广泛，图

【参考文献】：
期刊论文
[1]作业人员肌肉施力疲劳评价模型[J]. 胡鸿,易灿南,李开伟,唐范,左华丽,陈成锋.  中国安全科学学报. 2018(10)
[2]基于隐马尔可夫模型的动力型下肢假肢步态预识别[J]. 赵丽娜,刘作军,苟斌,杨鹏.  机器人. 2014(03)



本文编号：3619441