【摘要】：外骨骼系統(tǒng)作為一種穿戴式機器人裝置,與輪式設備相比對復雜地形的適應性更強,因此被廣泛應用于軍事、救援、工業(yè)和醫(yī)療康復領域。本課題設計的輕型外骨骼系統(tǒng)主要面向老年人等下肢弱能人群,幫助其增強下肢力量和運動能力,降低行走、起坐等過程中的體力消耗。針對外骨骼的應用對象和使用場合,本文論述了外骨骼系統(tǒng)的設計,包括機械結構的設計及傳感與控制系統(tǒng)的設計,控制算法及控制策略的研究和相關實驗測試及驗證�？紤]到使用人群為老年人等下肢弱能人群,本課題外骨骼的設計采用擬人化的方法,保證所需自由度及關節(jié)活動空間、輸出力矩及關節(jié)角速度滿足使用要求的前提下,通過使用碳纖維材料和合理的結構設計降低外骨骼整機質量,提高穿戴的便利性和舒適性。穩(wěn)定可靠、檢測精度較高的傳感與控制系統(tǒng)是外骨骼系統(tǒng)實現目標功能和具備較好實用性的前提。本文中的外骨骼設計集成了由背部姿態(tài)模塊、關節(jié)角度傳感器、力矩傳感器和腳底壓力傳感器構成的傳感系統(tǒng),為外骨骼的控制提供必要的運動信息。使用PC104作為外骨骼系統(tǒng)的控制器,建立了具有主從結構的實時仿真系統(tǒng),編程效率高,運算速率快。傳感與控制系統(tǒng)采用CAN總線的通信方式,具有較高的通信效率和可靠性。針對使用對象為下肢弱能人群,外骨骼系統(tǒng)的控制策略需滿足助力和安全兩方面的要求。本文使用浮動坐標基作為建立關節(jié)空間坐標系的原點,建立了統(tǒng)一形式的動力學模型,使控制力矩的計算不再區(qū)分支撐相和擺動相。結合靈敏度放大方法建立了對人機耦合系統(tǒng)的前饋控制,為穿戴者的運動提供助力�；赯MP和捕捉點理論,在外骨骼控制系統(tǒng)中集成了安全控制策略,在運動過程中實時評估系統(tǒng)的平衡狀態(tài),在即將進入動態(tài)不平衡狀態(tài)時為外骨骼系統(tǒng)關節(jié)提供修正力矩,幫助穿戴者保持身體平衡,提高外骨骼使用的安全性。最后完成了外骨骼系統(tǒng)的裝配和集成,針對外骨骼的使用場合,通過相關實驗對其使用性能和文中提出的控制策略進行驗證。進行了穿戴外骨骼的平地行走、上樓梯和起坐實驗,驗證外骨骼的助力性能和前饋控制的有效性和穩(wěn)定性。進行了平衡實驗,對站立和行走狀態(tài)下的平衡進行了分析,驗證所提出的平衡狀態(tài)評估和平衡恢復策略的有效性。
【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第 1 章 緒 論題研究的背景和意義社會發(fā)展水平的提升，人口老齡化問題日益凸顯，且不會因社失。根據世界衛(wèi)生組織報告，世界人口正在加速老齡化，從 2015及以上的老年人口數量將由 9 億增長為 20 億，占世界總人口數增長為 22%[1]。根據中國人口普查數據，截至 2016 年底，60 歲數量已超過 2.3 億，占總人口的 16.7%。老年人下肢力量減弱，力下降，正�；顒邮艿较拗�，此外，跌倒嚴重威脅到老年人的全，由此引發(fā)的傷病使老年人的生活方式和生活質量受到嚴重給家庭帶來沉重負擔，加之老年人口規(guī)模巨大，對家庭的日常服務提出了嚴峻的挑戰(zhàn)。

如圖1-2 所示，髖關節(jié)和膝關節(jié)為主動關節(jié)，由直流電機驅動，踝關節(jié)為動作矯形器使踝關節(jié)的運動保持在一定范圍內，在背曲方向有彈簧結構輔助運動，并且通過螺釘連接調節(jié)彈簧張力。傳動系統(tǒng)采用行星齒輪減速器和錐齒輪組合的形式，使電機豎向放置。腿長及腰寬可進行調節(jié)以適應不同身高體型的穿戴者。穿戴者使用手腕移動設備與外骨骼系統(tǒng)進行人-機交互，激活相應的運動模式，外骨骼根據軀干的角度傳感器信息和預存的成人步態(tài)數據帶動穿戴者。目前可以實現輔助殘疾人站立、平地行走以及上下樓梯，已經獲得了康復中心以及個人應用許可。圖 1-2 以色列 Argo 醫(yī)學技術公司的 Rewalk 外骨骼表 1-1 輔助醫(yī)療康復外骨骼參數名稱自重/kg驅動方式 反饋與控制行走速度/-1(km h )工作時間/minRewalk 23.2 電機 姿態(tài)檢測、智能腕帶、智能拐杖 1.6 1440Ekso 20.0 電機 姿態(tài)檢測、腳底壓力、智能拐杖 3.0 360HAL-5 23.0 電機 生物信號、姿態(tài)檢測、腳底壓力 4.0 160Indego 12.2 電機 姿態(tài)檢測、智能拐杖 0.8 —Rex 38.0 電機 腰部搖桿、關節(jié)角度 — 1440應對摔倒的策略目前大致有三類：（1）依靠主動檢測及平衡恢復維持外骨骼和穿戴者的平衡，避免摔倒；（2）在異常斷電或其它不可避免摔倒的情況下調整穿戴者姿勢，降低摔倒造成的損傷；（3）增加看護人員，防止摔倒情況的發(fā)生。Rewalk 外骨骼不具備主動防止摔倒機制，而是在斷電后會緩慢切換至坐姿，可以在一定程度上降低摔倒造成的損傷[15]。美國加州大學伯克利分校早起主要研究單兵作戰(zhàn)外骨骼，2010 年轉向民用醫(yī)療外骨骼方向

哈爾濱工業(yè)大學工學碩士學位論文 Ekso 下肢外骨骼機器人[18]，如圖 1-4 所示。Ekso 外骨骼自的認知能力、關節(jié)運動范圍、身高和體重具有要求�？�，體重不超過 100kg 的穿戴者。外骨骼髖關節(jié)和膝關節(jié)由電在后背的鋰電池，控制器布置于后背的控制盒內，可外接肢體姿態(tài)信息、腳底壓力信息配合智能拐杖實現對外骨骼初用于輔助穿戴者在物理治療師的幫助下進行肌肉和神經進，在智能拐杖中安裝運動傳感器與外骨骼進行實時通訊完全控制，在外骨骼的輔助下進行站立和行走，目前已獲并在美國與歐洲進行使用測試。在應對摔倒方面，Ekso 外防機制，而是在設備異常斷電時，采用膝關節(jié)鎖死，髖關在設備斷電后維持穿戴者及外骨骼的穩(wěn)定[15]。

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本文編號：2804953