【摘要】：外骨骼系統(tǒng)是用來穿戴的機(jī)器人,可以有效提高人的運(yùn)動能力,主要在軍事、工業(yè)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域應(yīng)用。本課題的主被動結(jié)合式下肢助力外骨骼機(jī)器人AP-EXO,主要應(yīng)用于單兵作戰(zhàn)和工業(yè)搬運(yùn)場合,為穿戴者提供助力,達(dá)到有效降低穿戴者負(fù)重感的目的。針對外骨骼的應(yīng)用目的和場合,論述了外骨骼的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)、控制與檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)、控制策略研究、相關(guān)實(shí)驗(yàn)測試及結(jié)果分析。簡易實(shí)用的機(jī)械本體是課題開展的基礎(chǔ)。外骨骼參考人體工程學(xué)和相關(guān)運(yùn)動數(shù)據(jù),采用擬人化的構(gòu)型設(shè)計(jì)。在能夠承受目標(biāo)載荷的條件下,盡量減小整體質(zhì)量和外形尺寸。外骨骼采用主被動結(jié)合的驅(qū)動方式,利用重力平衡原理平衡下肢自重,通過四連桿變速比的機(jī)構(gòu)驅(qū)動主動關(guān)節(jié),實(shí)現(xiàn)小自重、大出力的目的。穩(wěn)定可靠的控制與檢測系統(tǒng)是深入研究的必要條件。外骨骼采用DSP與ARM結(jié)合的主控單元,設(shè)計(jì)了基于CAN總線的分布式控制系統(tǒng)。設(shè)計(jì)霍爾角度檢測模塊,用于姿態(tài)檢測和控制模型建立。在足底設(shè)計(jì)運(yùn)動狀態(tài)辨識模塊,包括柔性壓力檢測和按鍵接觸檢測,有效判斷穿戴者運(yùn)動狀態(tài)。在驅(qū)動單元中,設(shè)計(jì)用于人機(jī)交互檢測的雙量程力傳感模塊,結(jié)構(gòu)簡單,精度較高,有效保證控制算法實(shí)施。安全有效的控制策略是外骨骼功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。建立外骨骼相應(yīng)的坐標(biāo)系,進(jìn)行運(yùn)動學(xué)分析。應(yīng)用牛頓歐拉法進(jìn)行動力學(xué)建模,實(shí)現(xiàn)對各位置和各關(guān)節(jié)力的求取。在支撐相使用線性三維倒立擺模型進(jìn)行重力補(bǔ)償,結(jié)合靈敏度放大法,達(dá)到良好的跟隨運(yùn)動與支撐助力效果。在擺動相使用雙量程傳感器檢測人機(jī)交互力,預(yù)測主動關(guān)節(jié)運(yùn)動趨勢,作為力反饋信號,構(gòu)成力閉環(huán)的控制策略,滿足人機(jī)隨動的使用目的。并在擺動相使用卡爾曼觀測器估計(jì)交互力信號,提供正反饋的預(yù)測補(bǔ)償,達(dá)到更快速的跟隨運(yùn)動效果。外骨骼系統(tǒng)裝配集成,進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)測試與結(jié)果分析。進(jìn)行單關(guān)節(jié)性能實(shí)驗(yàn),包括主動關(guān)節(jié)的跟隨性測試和被動關(guān)節(jié)的平衡效果測試;在此基礎(chǔ)上完成負(fù)重蹲起實(shí)驗(yàn)、連續(xù)行走實(shí)驗(yàn)、穿戴者負(fù)重感測試、外骨骼機(jī)動性測試、復(fù)雜路面運(yùn)行測試。驗(yàn)證外骨骼在支撐相和擺動相的控制策略的有效性,驗(yàn)證系統(tǒng)助力效果和運(yùn)動跟隨效果,滿足自重15kg,最大負(fù)重70kg,最大行進(jìn)速度5km/h的設(shè)計(jì)指標(biāo)。
【圖文】：

世紀(jì)開始研究，主要在歐美等發(fā)達(dá)國家中展開，最初的代研制的 Hardiman 全身外骨骼[13]，主要用于提高人體承重能的研究，揭示出助力外骨骼研制的重要技術(shù)�；男枨螅瑢伪鲬�(zhàn)能力要求也隨之增加，助力外骨骼士兵單兵作戰(zhàn)的負(fù)重能力，延長負(fù)重時(shí)間。4 年研制的第一代單兵助力外骨骼 BLEEX[14]-[16]（Berkeleyleton）。該下肢外骨骼采用液壓缸帶動各關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動[18]-[19]，自由度，膝蓋有 1 個(gè)自由度，腳踝包含 3 個(gè)自由度，，通過來改善人體下肢的協(xié)調(diào)性。整個(gè)系統(tǒng)在背負(fù)34kg 的情況下，，并且保證人體的承重感覺在2kg 以下。而后在 BLEEX 的力外骨骼 Exo-Hiker 和 Exo-climber，其中，Exo-Hiker 采動力的方式，適用于距離和時(shí)間較長負(fù)重行走；Exo-climber驅(qū)動方式，適用于距離和時(shí)間長地進(jìn)行負(fù)重上下山和樓梯

稱自重/kg最大負(fù)載/kg行進(jìn)速度/km/h運(yùn)行時(shí)間/hEEX 50.0 34 3.0 2o-Hiker 14.1 68 4.0 21o-climber 23.0 68 4.0 2LC 27.6 91 4.8 2神公司使用了液壓驅(qū)動設(shè)計(jì)制作了整個(gè)身體的助力外骨骼產(chǎn)品 XOS-17]如圖 1-2。XOS 外骨骼自身質(zhì)量95kg ，在抬起90.7kg 的重量情況時(shí)受到9kg 的承重感覺，以5k m /h的速度正常行進(jìn)40min 。XOS-2 整個(gè)身由度，每條腿包含 6 個(gè)自由度，每條手臂具有 5 個(gè)自由度，腰部有 1 OS-2 能夠單個(gè)手臂平抬起23kg 的重量，一支手敲開 3 寸厚度的木頭材統(tǒng)使用液壓帶動，能量使用率較低，泵站等供源系統(tǒng)需提供很大能量正常的集成安裝到外骨骼產(chǎn)品中，只能在外面提供能量的情況下才可用非常的不方便。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TP242

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本文編號：2556260