【摘要】：針對(duì)現(xiàn)存的上肢助力外骨骼負(fù)載能力弱,出力-自重比低等問(wèn)題,本文提出了一種并聯(lián)驅(qū)動(dòng)構(gòu)型的上肢助力外骨骼機(jī)器人的設(shè)計(jì)方法。這種外骨骼在具有強(qiáng)勁的輸出能力同時(shí),自身重量也能夠限制在一個(gè)較低的水平內(nèi)。本文詳述了這種外骨骼機(jī)器人的構(gòu)型設(shè)計(jì),系統(tǒng)搭建,建模與控制方法實(shí)現(xiàn)等內(nèi)容,最終通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了裝置的助力性能。在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)部分,通過(guò)靜態(tài)仿真分析對(duì)比了串并聯(lián)結(jié)構(gòu)在助力方面的優(yōu)缺點(diǎn),確定了外骨骼構(gòu)型設(shè)計(jì)思路。在完成了對(duì)外骨骼的結(jié)構(gòu)參數(shù)的建模及優(yōu)化后,基于設(shè)計(jì)要求及仿真結(jié)果對(duì)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)完成了選型與校核,隨后運(yùn)用拓?fù)鋬?yōu)化及有限元分析等多種方法對(duì)外骨骼本體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì),以此實(shí)現(xiàn)裝置輕量化與高強(qiáng)度化。針對(duì)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn),搭建了穩(wěn)定可靠的控制傳感回路并對(duì)主要器件進(jìn)行了設(shè)計(jì)與選型�？刂扑惴ǖ膶�(shí)現(xiàn)效果依賴于系統(tǒng)建模的精準(zhǔn)程度,根據(jù)理論模型搭建了并聯(lián)上肢外骨骼的坐標(biāo)系系統(tǒng),根據(jù)坐標(biāo)變換中得到的約束方程對(duì)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行了解析的求取。針對(duì)系統(tǒng)能夠直接測(cè)得多余坐標(biāo)的特性,采用凱恩法建立了外骨骼臂部的動(dòng)力學(xué)模型,得到了完整且完全解耦的慣性力補(bǔ)償方程。隨后通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定了關(guān)節(jié)實(shí)際運(yùn)動(dòng)中的摩擦阻力并通過(guò)辨識(shí)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(bǔ)償?shù)耐夤趋肋\(yùn)動(dòng)導(dǎo)納控制算法,并且根據(jù)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了被動(dòng)關(guān)節(jié)避奇異方法,提升了裝置運(yùn)動(dòng)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(guò)程以后,設(shè)計(jì)并進(jìn)行了主動(dòng)關(guān)節(jié)力矩補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)與被動(dòng)關(guān)節(jié)避奇異實(shí)驗(yàn)等,驗(yàn)證了理論補(bǔ)償模型建立的正確性與控制規(guī)劃方法設(shè)計(jì)的合理性。以此為基礎(chǔ),操作者穿著外骨骼完成了對(duì)于重型負(fù)載的輔助搬運(yùn)實(shí)驗(yàn),通過(guò)對(duì)比人機(jī)交互力與生理信號(hào)的變化,驗(yàn)證了外骨骼在大負(fù)載上肢勞動(dòng)中所起到的效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(fù)載,助力-自重比達(dá)到1.73,滿足設(shè)計(jì)要求。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TP242
【圖文】：

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文骨骼（EHPA, Exoskeleton for human Performance Augmentation）了眾多研究機(jī)構(gòu)及企業(yè)參與。自此，外骨骼領(lǐng)域的研究開(kāi)始受到矚目。在研究上肢助力型外骨骼的研究機(jī)構(gòu)與企業(yè)中，突出的成美國(guó)、日本等一些傳統(tǒng)科技強(qiáng)國(guó)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(dú)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(guó)雷神公司“XOS”國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）設(shè)立的外骨骼的研究項(xiàng)目的支 雷神公司研發(fā)了一系列全身式外骨骼。該公司設(shè)計(jì)的外骨骼通行驅(qū)動(dòng)。這樣的驅(qū)動(dòng)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(jī)型都采用了計(jì)，即單臂 7 自由度和單腿 7 自由度。在上肢驅(qū)動(dòng)選取方面，“X了單臂 5 個(gè)主動(dòng)自由度的驅(qū)動(dòng)，這使得“XOS”能夠?qū)崿F(xiàn)擊穿木、俯臥撐等復(fù)雜的上肢運(yùn)動(dòng)能力[11]。

圖 1-3 AXO-SUIT 外骨骼外觀及上肢部分關(guān)節(jié)分布1.2.1.2 上肢助力外骨骼美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)“RUPERT”賓夕法尼亞大學(xué)的 Jiping He, E.J. Koeneman 等研制了一系列命名為RUPERT 的上肢外骨骼機(jī)器人，經(jīng)過(guò)四代的發(fā)展，最后其自由度設(shè)定為肩關(guān)節(jié)2 個(gè)自由度，肘關(guān)節(jié) 1 個(gè)自由度，腕關(guān)節(jié) 2 個(gè)自由度�；掘�(qū)動(dòng)方式為氣動(dòng)肌肉驅(qū)動(dòng)，由于氣動(dòng)肌肉只提供拉力的特性，其在肘關(guān)節(jié)上布置了兩個(gè)氣動(dòng)肌肉以克服肘關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的負(fù)載力。在肩關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)上分別布置了一個(gè)氣動(dòng)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(guò)力閉環(huán)控制的方式來(lái)完成對(duì)人體運(yùn)動(dòng)的跟隨。

圖 1-3 AXO-SUIT 外骨骼外觀及上肢部分關(guān)節(jié)分布肢助力外骨骼國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)“RUPERT”法尼亞大學(xué)的 Jiping He, E.J. Koeneman 等研制了一系列命的上肢外骨骼機(jī)器人，經(jīng)過(guò)四代的發(fā)展，最后其自由度設(shè)定為肩，肘關(guān)節(jié) 1 個(gè)自由度，腕關(guān)節(jié) 2 個(gè)自由度�；掘�(qū)動(dòng)方式為氣由于氣動(dòng)肌肉只提供拉力的特性，其在肘關(guān)節(jié)上布置了兩個(gè)氣動(dòng)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的負(fù)載力。在肩關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)上分別布置了一個(gè)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(guò)力閉環(huán)控制的方式來(lái)完成對(duì)人體運(yùn)動(dòng)的跟隨。

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6 許華e

本文編號(hào)：2802810