發(fā)布時間：2020-08-24 20:25

【摘要】：針對現(xiàn)存的上肢助力外骨骼負載能力弱,出力-自重比低等問題,本文提出了一種并聯(lián)驅動構型的上肢助力外骨骼機器人的設計方法。這種外骨骼在具有強勁的輸出能力同時,自身重量也能夠限制在一個較低的水平內(nèi)。本文詳述了這種外骨骼機器人的構型設計,系統(tǒng)搭建,建模與控制方法實現(xiàn)等內(nèi)容,最終通過實驗驗證了裝置的助力性能。在機械結構設計部分,通過靜態(tài)仿真分析對比了串并聯(lián)結構在助力方面的優(yōu)缺點,確定了外骨骼構型設計思路。在完成了對外骨骼的結構參數(shù)的建模及優(yōu)化后,基于設計要求及仿真結果對驅動關節(jié)完成了選型與校核,隨后運用拓撲優(yōu)化及有限元分析等多種方法對外骨骼本體結構進行了設計,以此實現(xiàn)裝置輕量化與高強度化。針對并聯(lián)機構的運動特點,搭建了穩(wěn)定可靠的控制傳感回路并對主要器件進行了設計與選型�？刂扑惴ǖ膶崿F(xiàn)效果依賴于系統(tǒng)建模的精準程度,根據(jù)理論模型搭建了并聯(lián)上肢外骨骼的坐標系系統(tǒng),根據(jù)坐標變換中得到的約束方程對并聯(lián)機構的正逆運動學進行了解析的求取。針對系統(tǒng)能夠直接測得多余坐標的特性,采用凱恩法建立了外骨骼臂部的動力學模型,得到了完整且完全解耦的慣性力補償方程。隨后通過實驗測定了關節(jié)實際運動中的摩擦阻力并通過辨識方法得到了摩擦模型具體參數(shù)�；谶@些模型,建立了包含力矩補償?shù)耐夤趋肋\動導納控制算法,并且根據(jù)并聯(lián)機構的特點設計了被動關節(jié)避奇異方法,提升了裝置運動的連續(xù)性與可靠性。最后,在完成了并聯(lián)上肢助力外骨骼制造裝配過程以后,設計并進行了主動關節(jié)力矩補償實驗與被動關節(jié)避奇異實驗等,驗證了理論補償模型建立的正確性與控制規(guī)劃方法設計的合理性。以此為基礎,操作者穿著外骨骼完成了對于重型負載的輔助搬運實驗,通過對比人機交互力與生理信號的變化,驗證了外骨骼在大負載上肢勞動中所起到的效果。實驗結果驗證了系統(tǒng)設計的合理性與控制算法的可行性,最終上肢外骨骼自重12.7kg,能夠舉起22kg負載,助力-自重比達到1.73,滿足設計要求。
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TP242
【圖文】：

哈爾濱工業(yè)大學工學碩士學位論文骨骼（EHPA, Exoskeleton for human Performance Augmentation）了眾多研究機構及企業(yè)參與。自此，外骨骼領域的研究開始受到矚目。在研究上肢助力型外骨骼的研究機構與企業(yè)中，突出的成美國、日本等一些傳統(tǒng)科技強國中。其中一些上肢外骨骼裝置是骼的一部分出現(xiàn)的，另外一些則是單獨的上肢外骨骼系統(tǒng)[10]。身外骨骼系統(tǒng)中的上肢助力外骨骼美國雷神公司“XOS”國國防高級研究計劃局（DARPA）設立的外骨骼的研究項目的支 雷神公司研發(fā)了一系列全身式外骨骼。該公司設計的外骨骼通行驅動。這樣的驅動方式可以提供很高的輸出功率，使得外骨骼大的助力力矩。SARCOS 公司推出的三種外骨骼機型都采用了計，即單臂 7 自由度和單腿 7 自由度。在上肢驅動選取方面，“X了單臂 5 個主動自由度的驅動，這使得“XOS”能夠實現(xiàn)擊穿木、俯臥撐等復雜的上肢運動能力[11]。

圖 1-3 AXO-SUIT 外骨骼外觀及上肢部分關節(jié)分布1.2.1.2 上肢助力外骨骼美國賓夕法尼亞大學“RUPERT”賓夕法尼亞大學的 Jiping He, E.J. Koeneman 等研制了一系列命名為RUPERT 的上肢外骨骼機器人，經(jīng)過四代的發(fā)展，最后其自由度設定為肩關節(jié)2 個自由度，肘關節(jié) 1 個自由度，腕關節(jié) 2 個自由度�；掘寗臃绞綖闅鈩蛹∪怛寗�，由于氣動肌肉只提供拉力的特性，其在肘關節(jié)上布置了兩個氣動肌肉以克服肘關節(jié)運動所產(chǎn)生的負載力。在肩關節(jié)和腕關節(jié)上分別布置了一個氣動肌肉，用以克服重力方向的載荷[19-20]。在控制方面，提供了位置和交互力反饋信息，通過力閉環(huán)控制的方式來完成對人體運動的跟隨。

圖 1-3 AXO-SUIT 外骨骼外觀及上肢部分關節(jié)分布肢助力外骨骼國賓夕法尼亞大學“RUPERT”法尼亞大學的 Jiping He, E.J. Koeneman 等研制了一系列命的上肢外骨骼機器人，經(jīng)過四代的發(fā)展，最后其自由度設定為肩，肘關節(jié) 1 個自由度，腕關節(jié) 2 個自由度�；掘寗臃绞綖闅庥捎跉鈩蛹∪庵惶峁├Φ奶匦�，其在肘關節(jié)上布置了兩個氣動關節(jié)運動所產(chǎn)生的負載力。在肩關節(jié)和腕關節(jié)上分別布置了一個以克服重力方向的載荷[19-20]。在控制方面，提供了位置和交互力過力閉環(huán)控制的方式來完成對人體運動的跟隨。

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6 許華e

本文編號：2802810