外骨骼机器人仿人运动姿态建模及控制仿真研究

发布时间：2017-07-17 16:51

第一章 绪论

1.1 本文研究背景及意义

随着科学技术的发展和现代化进程的提升，世界各国对人机交互一体化系统的探索与研究也逐步深入，期望通过技术的革新使社会焕然一新。而外骨骼机器人它作为一种能够将人类的智力以及机器人的“体力”相互结合的人机交互一体化系统，现在已经逐渐成为了这个领域的一个研究热点。从构造上来看，外骨骼机器人可分为上肢、下肢、全身及各类关节机器人，其应用范围广泛，不仅可以运用在军事领域，提高士兵的行军能力和作战能力，而且还可以运用在民用领域，应用于爬山、观光旅游、消防、救灾等须要背负繁重物资、装备而车辆又无法使用的情况下，此外还可以将该装备运用于医学诊疗康复治愈领域，辅助残疾人士、老年人和上肢、下肢关节无力病患者，在一定程度上帮助他们恢复运动及提高生活的质量[1-3]。

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1.2 人体下肢步态的国内外研究现状

下肢外骨骼机器人的运动姿态是参照人体步态的研究进行设计的。正常人体行走时的步态应该是身体健康的人以最自然顺畅、最为舒适的状态行走前进的步态，此步态应该包含 3 个主要特点：身体重心平稳，各步长相似，损耗的能量最少[10]，这些也是外骨骼运动姿态控制设计的重要参考指标之一。Grabiner 等学者[11]也对此进行了总结并认为正常人体行走时的步态须具备以下几个条件：第一，支撑阶段身体平稳，摆动阶段人体下肢足部自然放松，使人体在迈步时有一定的前进距离；第二，人体的膝关节在支撑阶段的作用主要是吸收震荡和积蓄能量，使人体在摆动阶段能够更方便地带动小腿和足部进行运动。外骨骼机器人在设计之前须对人体步态进行分析，这是不可或缺的一环[12-13]，通过对人体结构等生物力学以及步态运动的研究，，揭示正常人体在步行时的关键特点和影响因素，对接下来研究外骨骼机器人的步态行走机理、步态控制策略和行走稳定性的控制方法有极大的铺垫及帮助作用。

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第二章 人体下肢结构分析与步态数据获取

2.1 引言

下肢外骨骼机器人属于可供穿戴的机器人一类，其最主要的特征就是安装穿戴在人体表面，根据人体的运动意图进行辅助运动。评定外骨骼机器人的标准之一就是外骨骼与人体运动的协调一致性，所以在建模与仿真设计时必须要考虑穿戴者的因素，外骨骼机器人拟人化的结构设计就成为了其在设计时必须要参照的一个重要指标。也就是说，在下肢外骨骼机器人的结构设计中需要满足两个特性：同构性和自适应性。在伴随着人体运动的过程中外骨骼机器人需要贴合人体的骨骼，因此在对外骨骼机器人进行建模仿真之前需要对人体下肢结构和步态进行研究分析。

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2.2 人体下肢步态运动

对人体运动进行研究基本上是根据解剖学的知识而来的，最早开展对人体运动姿态的研究是 V.T.Inman 教授，他通过整理并在 1981 年著书《Human Walking》在其中对人体步态的研究进行了详细的撰写，为以后人体步态运动学的研究提供了大量的依据，他提出的人体步态三维空间平面划分理论在之后的研究中得到了广泛的应用[17]。在日常生活中我们为了表征物体的位置与方向建立了笛卡尔坐标系，而同理为了准确的表示人体各部位的位置与方向，我们也需建立坐标系将人体步态运动进行合理的划分方便分析与处理，如图 2.1 所示即人体在三维空间中的平面划分以及运动轴，该划分方式使人体在三维空间内的活动落在了三个基本平面内，即矢状面、额状面和水平面。

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第三章 仿人体下肢结构建模与控制系统设计................ 22

3.1 引言............... 22

3.2 仿人体下肢结构模型建立................22

第四章 下肢外骨骼机器人动力学仿真与分析...............40

4.1 引言................ 40

4.2 下肢外骨骼机械结构设计............... 40

第四章 下肢外骨骼机器人动力学仿真与分析

4.1 引言

下肢外骨骼的动力学分析我们采用 ADAMS(Automatic Dynamic AnalysisMechanical Systems)作为虚拟样机方面的仿真软件。ADAMS 由于其在机械系统静力学、运动学及动力学分析方面有着极大的优势使其成为了目前世界上使用最多、性能最好的机械系统仿真软件[59-60]。ADAMS 进行动力学分析的原理是：在对整体的多刚体系统建模过程中，基于典型的 Lagrange 建模方法完成对整个多刚体系统中对象的运动学方程搭建。此方法第一步是基于惯性参考系的模型下，利用系统中每个刚体质心的三个直角坐标来确定刚体运行的精准位置，并且利用三个欧拉角的准确数据来确定刚体方位；第二步为了更有效的对位置和方位值进行处理，将其转换为可以适用于笛卡尔广义坐标中，同时借助带乘子的拉格朗日方程在约束条件下求极值方法，对有多余坐标的完整约束系统和非完整约束系统进行处理；最终在笛卡尔广义坐标系下，将相关关键变量的运动学方程模型导出。通过利用导出的运动学方程可以准确的完成对整个刚性系统的模型搭建[61]。采用该软件在虚拟样机层次进行仿真可以避免我们在开发实际样机时带来的不必要的损失，也提高了我们的工作效率和工作的结果。

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4.2 下肢外骨骼机械结构设计

我们在设计下肢外骨骼的机械结构时主要考虑使其能够适应各种条件，比如可以设计出能适合不同身高和体型的人群穿戴等。为了获得最大的安全性与环境的最小碰撞，本课题组拟采用准拟人承载机构，即下肢外骨骼机器人腿和人腿的运动学规律只是类似，穿戴者和外骨骼只是在四肢刚性地连接着，其他部分柔性连接。由于运动学的差异，任何其他的刚性连接都会将巨大的力强加在穿戴者身上，而柔性的连接则允许穿戴者和外骨骼之间存在可以容忍的相对运动。不完全匹配人体运动学的另一好处是下肢外骨骼机器人比较容易满足各种穿戴者的尺寸，下肢外骨骼机器人的实验样机设计方案如图 4.1 所示。

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结论

下肢外骨骼机器人在军事、医疗、救灾等领域有着极大的应用前景和科学研究意义。本文的研究以仿人运动姿态结构建模与机构仿真为目标，致力于使外骨骼机器人能与穿戴者协调运动这个目标，结合人机仿生学、机械设计、控制、传感等学科，通过对人体运动姿态的研究分析及结构建模仿真获取机械系统和控制系统设计的方法。本文的主要研究内容如下：（1）对国内外各个研究机构及大学所做的外骨骼机器人进行调研，明确下肢外骨骼机器人的主要研究内容及需要解决的问题。然后本论文针对其中的一点开始研究，查阅大量相关文献，确立研究方案。

参考文献（略）

本文编号：554609