下肢外骨骼是一種可穿戴在人體下肢,增強或恢復人體下肢運動機能的人機一體化機械系統(tǒng),可以通過增強正常人的行走速度和負重能力用于單兵作戰(zhàn)、極地考察、地震援救等特殊作業(yè)環(huán)境,而且可以為下肢功能障礙者提供行走助力和康復訓練。鑒于下肢外骨骼在軍事、太空探索、醫(yī)療康復和助老助殘等領域具有廣闊的應用前景,下肢外骨骼的研究在各個領域日趨迫切和深入。下肢外骨骼是一種典型的人機高度耦合系統(tǒng),因此穿戴者的安全性和舒適性是衡量穿戴性能的重要指標。此外,節(jié)能和輕量化也將成為下肢外骨骼發(fā)展的重要趨勢。因此,研究下肢外骨骼系統(tǒng)的安全性、舒適性和節(jié)能具有重要的現(xiàn)實意義。在下肢外骨骼服役過程中存在諸多不確定性因素,這將影響下肢外骨骼系統(tǒng)的運動性能,導致下肢外骨骼運行軌跡與人體運動軌跡產(chǎn)生差異,發(fā)生人機碰撞,對穿戴者的舒適性和安全性造成影響,當人機耦合過程中的不一致性過大時會對穿戴者造成傷害。本文將針對下肢外骨骼運行過程中的安全性、舒適性以及節(jié)能等要求,在設計階段開展下肢外骨骼系統(tǒng)動態(tài)不確定性設計研究,主要內(nèi)容和創(chuàng)新性成果總結如下:(1)基于人體下肢運動特性,提出了下肢外骨骼結構設計模型為實現(xiàn)機構靈巧、人機耦合高度契合、穿戴安全舒適的下肢外骨骼結構設計,充分研究了人體下肢運動特性,建立了人體下肢關節(jié)角運動軌跡函數(shù)、運動學正逆模型及相關求解算法。據(jù)此,采用不完全匹配人體運動學的半擬人化設計,合理配置下肢外骨骼驅動自由度和驅動關節(jié),建立下肢外骨骼虛擬模型,為下肢外骨骼動態(tài)不確定性設計提供了輸入。(2)建立了基于內(nèi)部不確定性的下肢外骨骼人機耦合一致性模型并提出了兩種時變可靠性分析方法為了衡量下肢外骨骼系統(tǒng)在內(nèi)部不確定因素影響下的安全性,以下肢外骨骼實際軌跡與穿戴者理論軌跡的跟隨程度定義了人機耦合一致性,揭示了人機碰撞規(guī)律。追蹤內(nèi)部不確定因素的來源和傳遞方式,考慮各個關節(jié)的相關性,建立了關節(jié)獨立的一致性模型和關節(jié)相關的一致性模型。依據(jù)一致性模型的特點,提出了兩種時變可靠性評估方法,揭示了內(nèi)部不確定影響下的下肢外骨骼安全性演變規(guī)律。結果表明,隨步態(tài)進程的推進,不一致性逐漸累積,安全性逐漸降低,為節(jié)能、安全性和舒適性設計提供了理論基礎。(3)建立了考慮隨機路面作用的下肢外骨骼人機耦合一致性模型并提出了一種多失效模式和多空間參數(shù)耦合的時變可靠性分析方法根據(jù)下肢外骨骼不確定性的來源,可將不確定性分為內(nèi)部不確定性和外部不確定性,外部不確定性的主要來源是工況環(huán)境,即隨機路面信息�？紤]隨機路面信息對下肢外骨骼末端軌跡的作用情況,以下肢外骨骼正運動分析為基礎,以不確定影響下的實際末端軌跡與理論末端軌跡的差異程度為度量,分別建立了支撐相和擺動相的一致性模型。同時提出了多失效模式和多空間參數(shù)耦合的時變可靠性分析方法,得到了隨機路面影響下的下肢外骨骼安全性變化規(guī)律,同樣為安全性和舒適性設計奠定了理論基礎。(4)建立了一致性節(jié)能優(yōu)化模型并探尋了一種高效時變可靠性優(yōu)化解耦算法依據(jù)下肢外骨骼選擇的驅動關節(jié)和驅動器的配置方案,以能源消耗最大的液壓驅動為設計對象,在保證下肢外骨骼正常驅動的情況下,建立了液壓缸能耗模型。為了保證下肢外骨骼的安全性,構建了人機耦合一致性約束條件,以液壓缸的配置尺寸為設計目標,建立了下肢外骨骼一致性節(jié)能模型。同時,提出了一種高效的時變可靠性優(yōu)化解耦算法來求解液壓缸最優(yōu)配置方案,該解耦算法擴充了動態(tài)不確定設計的求解方法。研究結果顯示,相比確定性的節(jié)能優(yōu)化,一致性節(jié)能優(yōu)化模型在保證下肢外骨骼安全性上有顯著優(yōu)勢。(5)建立了下肢外骨骼安全性設計和舒適性設計的統(tǒng)一框架并探尋了一種時變可靠性穩(wěn)健優(yōu)化設計算法安全性和舒適性是下肢外骨骼動態(tài)不確定優(yōu)化設計的兩個基本屬性,在下肢外骨骼設計過程中需要同時滿足。追蹤不確定性因素在下肢外骨骼系統(tǒng)中的傳遞途徑,根據(jù)穩(wěn)健性的內(nèi)涵,以不確定條件下關節(jié)角的波動程度來刻畫下肢外骨骼的舒適性,建立了表征舒適性的穩(wěn)健性能函數(shù);根據(jù)一致性的定義,以不確定條件下關節(jié)角的實際值與理論值之間的差值來描述下肢外骨骼安全性,建立了表征安全性的一致性性能函數(shù)。最終建立了下肢外骨骼一致性穩(wěn)健設計的統(tǒng)一模型,真正實現(xiàn)了安全性設計和舒適性設計的結合,形成了下肢外骨骼動態(tài)不確定性設計體系。一致性穩(wěn)健模型表現(xiàn)為多失效模式和多空間參數(shù)耦合的時變可靠性穩(wěn)健設計問題,據(jù)此,提出了一種求解算法,豐富了動態(tài)不確定性設計理論體系和求解方法。
【學位單位】：電子科技大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：TH77
【部分圖文】：

機器人并不斷對其性能進行優(yōu)化，麻資助下研制出了下肢助力外骨骼機器利分校 2004 年研制的 BLEEX 下肢能夠負重的下肢外骨骼外機器人[3-7]力機械腿、一個電源和一個可安裝各節(jié)（髖關節(jié)、膝關節(jié)和踝關節(jié)）、7 個 3 個）和 4 個液壓缸驅動。4 個液壓缸關節(jié)彎曲/伸展以及踝關節(jié)彎曲/伸展 4簧輔助驅動�；谙轮夤趋绖恿W”方法，實現(xiàn)了人機的跟隨運動。由使執(zhí)行效率不高，實用性較低。其研節(jié)跟隨控制代替主動控制，簡化外統(tǒng)可以跟隨人體動作進行運動，適合oClimber 系統(tǒng)，該系統(tǒng)最大可負重 90格外重視[6]。

電子科技大學博士學位論文美國洛克希德馬丁公司基于加州大學伯克利分校的下肢外提升士兵負重能力，對 BLEEX 進行了軍事化的工程技術改種金屬骨架—“人類負重外骨骼”（HumanUniversalLoadC1-2 所示，該款外骨骼增加了上肢輔助功能，能夠通過提供機動性的需求，提高士兵在各種復雜環(huán)境下的負重能力，能0Kg 的情況下以 4.8m/s 的速度長時間行走。同時，基于 H國 Berkeley Bionics 公司開發(fā)了 eLegs（Ekso）康復助行外

第一章 緒論展自由度安裝磁流變阻器，在踝關節(jié)安裝分離彈過磁流變阻尼器鎖死膝關節(jié)，利用安裝于踝關節(jié)系統(tǒng)的重力勢能和動能，并在合適的時候釋放。系統(tǒng)自重僅有 11.7kg，在零負重的情況下，保證系在負重能力 36kg 的條件下，能夠保持 1m/s 的速度體會產(chǎn)生額外代謝耗能，并且高達 10%。

【參考文獻】

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本文編號：2824112