【摘要】：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,人體能力增強方面的研究思想和需求漸漸的得到了人們的重視,其應(yīng)用領(lǐng)域從生活上看可以解決老年人和殘疾人行動不便的問題,從工作上看,可以幫助人們實現(xiàn)正常體能完成不了的負載工作,例如托舉搬運大質(zhì)量的貨物,或者長時間背負質(zhì)量執(zhí)行各種特殊任務(wù)等。而外骨骼機器人作為一種穿戴式助力機器人漸漸引入人們的視野中,其可以將人的智商和機器的能力進行有機的結(jié)合,在不影響人體運動的同時,實現(xiàn)超出人體能的功率輸出。它非常適合助老助殘或者給人體提供額外助力方面的應(yīng)用,并且也可以作為子系統(tǒng)應(yīng)用在地震救援、消防搶險、野外行軍以及航天航空等方面。目前國內(nèi)對外骨骼的研究已經(jīng)初具規(guī)模,產(chǎn)生了諸多的上下肢外骨骼樣機,但是具有全身功能的外骨骼系統(tǒng),以及能夠進行復(fù)雜路面行走,并且執(zhí)行托舉搬運功能的研究成果并不多見,另外對于全身外骨骼的建模以及控制系統(tǒng)的研制還處于比較初級的階段。本文通過面向托舉搬運功能的全身助力外骨骼系統(tǒng)的研制,根據(jù)上下肢的運動特點進行合理的創(chuàng)新設(shè)計,使其具有大負載的能力,并且對人體運動辨識、全身外骨骼系統(tǒng)控制都進行了深入的探討,最后,通過具體的驗證演示實驗,證明的本文外骨骼理論的實踐效果。在上肢外骨骼的設(shè)計難點在于由于其負載時力臂較長所以很難實現(xiàn)大載荷的負重效果,本文通過利用氣彈簧被動儲能結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了以被動方式代替主動方式的上肢外骨骼結(jié)構(gòu),并且在解決了電機力矩問題的同時,相較于傳統(tǒng)的彈簧結(jié)構(gòu)而言,通過氣彈簧平衡結(jié)構(gòu)的運用也增加了結(jié)構(gòu)的緊湊性,然后根據(jù)氣彈簧的具體出力性能對結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化,使得整體平衡性能得到了提升。最后,根據(jù)整體系統(tǒng)的調(diào)整時間和能力,對控制方式進行了設(shè)計,為全身外骨骼整體系統(tǒng)運行奠定了基礎(chǔ)。下肢外骨骼的設(shè)計和上肢外骨骼相比其具有更復(fù)雜的運動方式,本文先進行了人體解剖學(xué)以及人體在行走、蹲起、上樓以及下樓狀態(tài)的仿真,從中獲得了人體運動所需的運動范圍和消耗功率,通過以上參數(shù),對下肢外骨骼系統(tǒng)進行設(shè)計。在關(guān)節(jié)上通過連桿絲杠的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了變減速比傳動,使得外骨骼關(guān)節(jié)電機驅(qū)動力矩在各個角度上得到了合理分配,并通過具體仿真和結(jié)構(gòu)需求,對連桿的位置的長度進行了優(yōu)化計算,最后通過關(guān)節(jié)編碼器、陀螺儀、足底壓力信號以及連桿力信號等組合研制了一套下肢外骨骼的閉環(huán)控制方案。本文針對上下肢系統(tǒng)聯(lián)合的特點,首先通過腳底壓力反饋的信號,利用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對人體的運動相位進行了實時的辨識,為上下肢的聯(lián)合建�？刂铺峁┲匾膮�(shù)。在建模方面,針對上肢的結(jié)構(gòu)的特點,將其等效成了變質(zhì)心坐標的質(zhì)量塊,并且計算出其重心的位置矢量,在下肢的動力學(xué)建模中通過上肢重心的位置矢量計算結(jié)果,對模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算出的人體相位辨識情況進行了分別的動力學(xué)分析,得出了不同相位的動力學(xué)模型。最后,通過動力學(xué)模型的結(jié)果,并利用連桿的交互力反饋實現(xiàn)了基于靈敏度放大前饋的力閉環(huán)的控制方法,從而達到了全身外骨骼的穩(wěn)定助力行走的效果。為了測試外骨骼機器人的助力效果,搭建了包括外骨骼機器人本體以及模擬實驗場地的平臺。試驗分為上肢外骨骼測試,下肢外骨骼測試以及全身外骨骼助力性能測試三個部分。首先通過上肢外骨骼實驗平臺測試了上肢外骨骼的負載能力,以及其助力性能的評測。然后利用下肢外骨骼實驗平臺對外骨骼的穿戴舒適性、運動靈活性以及環(huán)境適應(yīng)性進行了測試,并且通過關(guān)節(jié)運動數(shù)據(jù)以及人機交互數(shù)據(jù)對下肢外骨骼的負載性能以及速度能力進行了測試。最后,以穿戴全身外骨骼運動的形式,通過人機功效和生理測試等方面,來證明全身外骨骼的助力性能。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TP242
【圖文】：

第 1 章 緒論 并且利用下標代表自由度數(shù)量，其中 c（水平面轉(zhuǎn)動自由度）、s（矢狀面轉(zhuǎn)動由度）、v（額狀面轉(zhuǎn)動自由度），故 SARCOS 公司外骨骼自由度布置可以表述Sc-s-v-Es-Wc-s-v-Hc-s-v-Ks-Ac-s-v。而在驅(qū)動的選取上基本實現(xiàn)了所有主動關(guān)節(jié)的驅(qū)分別為單臂 5 個驅(qū)動、腰部一個驅(qū)動、單腿 5 個驅(qū)動。這樣的實現(xiàn)方式，使SARCOS 公司系類外骨骼具有跑、跳，甚至踢足球、俯臥撐等復(fù)雜運動能力[13]SARCOS 公司經(jīng)過二代外骨骼的發(fā)展，在 2010 年公布了 XOS-2。對比前代外骨骼，XOS-2 選用擺動缸為主要執(zhí)行元件，并且在材料和傳感器方面進行全面提升，使得 XOS-2 能耗降低了 50%，并且實際重力與感知重量之比提升了 17:1。但是該系統(tǒng)仍然沒有解決液壓系統(tǒng)能源利用率低的問題，在實際使用需要配備專門的外設(shè)電源[14]。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位論文 髖關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)以及肘關(guān)節(jié) 4 自由度個為主動自由度，利用直流伺服電機來實現(xiàn)其驅(qū)動。在傳感器方面，延續(xù)了前代的肌電信號的傳感方式，并增加上肢位置角度信息融合算法，實現(xiàn)上下肢的聯(lián)合控制。 HAL-5C 和 HAL-5LB 為助老助殘型下肢外骨骼，主要針對于行動不便的病人或者老年人來使用的。兩者針對與不同程度殘疾情況，在結(jié)構(gòu)上有所區(qū)別。HAL-5C 在膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)上設(shè)有驅(qū)動電機，并取消了踝關(guān)節(jié)的設(shè)計，主要針對于復(fù)健和老年人等輕度傷殘的人群。而 HAL-5LB 在踝關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)上設(shè)置了三組電機，可以實現(xiàn)助行即協(xié)助站起的功能效果[17-21]。

HAL-5C 和 HAL-5LB 為助老助殘型下肢外骨骼，主要針對于行動不便的病人或者老年人來使用的。兩者針對與不同程度殘疾情況，在結(jié)構(gòu)上有所區(qū)別。HAL-5C 在膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)上設(shè)有驅(qū)動電機，并取消了踝關(guān)節(jié)的設(shè)計，主要針對于復(fù)健和老年人等輕度傷殘的人群。而 HAL-5LB 在踝關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)上設(shè)置了三組電機，可以實現(xiàn)助行即協(xié)助站起的功能效果[17-21]。 a) HAL-1 b) HAL-3 c) HAL-5(Type-B) d) HAL-5(Type-C) e) HAL-5LB(Type-C)圖 1-2 日本筑波大學(xué) HAL 系列外骨骼Fig.1-2 Powered exoskeleton series by University of Tsukuba

【參考文獻】

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本文編號：2778469