助力外骨骼機(jī)器人是一種人機(jī)共融型機(jī)器人,能夠與人協(xié)同工作,自動(dòng)感知人體運(yùn)動(dòng)意圖,運(yùn)用自適應(yīng)智能隨動(dòng)助力控制方法,通過執(zhí)行器承擔(dān)人體攜帶的外負(fù)載,幫助人體減少負(fù)重過程中所消耗的能量,從而實(shí)現(xiàn)助力的目的。外骨骼機(jī)器人的核心技術(shù)體現(xiàn)在對基于人體生物力學(xué)分析的人體運(yùn)動(dòng)意圖感知問題、具有復(fù)雜自由度的仿人體運(yùn)動(dòng)學(xué)建模與快速計(jì)算問題、具有本質(zhì)安全的柔性外骨骼的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與精確控制等,其核心的關(guān)鍵技術(shù)難題在于智能的人機(jī)交互隨動(dòng)助力技術(shù)問題,從目前來看也是國際公認(rèn)的難題。本文在總結(jié)前人的基礎(chǔ)上,針對上述核心問題,經(jīng)過系統(tǒng)研究,提出了一套較系統(tǒng)的外骨骼隨動(dòng)助力(Servo Augmentation Technology,SAT)技術(shù)方法體系,包括人體生物力學(xué)與外骨骼動(dòng)力學(xué)分析、柔性關(guān)節(jié)外骨骼建模與控制、基于李群及旋量理論的外骨骼運(yùn)動(dòng)學(xué)建模、基于人機(jī)交互力最小化的人體運(yùn)動(dòng)軌跡識別、非線性級聯(lián)力位混合控制算法、基于AI深度學(xué)習(xí)的人體步態(tài)識別預(yù)測方法等方面,SAT隨動(dòng)助力技術(shù)可以跟蹤人體運(yùn)動(dòng)意圖,通過人機(jī)交互力最小化控制策略,可以外骨骼實(shí)現(xiàn)隨動(dòng)助力目標(biāo)。在本文提出的SAT外骨骼機(jī)器人隨動(dòng)助力技術(shù)方法基礎(chǔ)上,結(jié)合我國救援救災(zāi)的具體應(yīng)用場景,利用機(jī)電液算控及人工智能等先進(jìn)技術(shù),本課題創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一套助力外骨骼機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(ZRRC-Exbot),包括仿生機(jī)械機(jī)構(gòu)、上肢電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)、下肢液壓驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)軟件控制系統(tǒng)等完整實(shí)用的外骨骼實(shí)驗(yàn)平臺,并在此平臺上驗(yàn)證了理論的可行性,為未來進(jìn)一步外骨骼的產(chǎn)品化打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。第一章首先對本課題的研究意義進(jìn)行了說明,指出我國是自然災(zāi)害頻發(fā)的國家,利用機(jī)器人產(chǎn)業(yè)蓬勃興起的契機(jī)來研究開發(fā)救援助力外骨骼機(jī)器人,幫助人類進(jìn)行救援救災(zāi)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。接著對國內(nèi)外外骨骼領(lǐng)域最突出的研究成果作了介紹,對其特點(diǎn)和不足進(jìn)行了剖析。隨后對外骨骼的相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了介紹。最后闡述了本文的研究內(nèi)容,包括外骨骼生物力學(xué)與動(dòng)力學(xué)分析、基于李群李代數(shù)旋量理論的外骨骼運(yùn)動(dòng)學(xué)建模、外骨骼機(jī)器人的隨動(dòng)助力控制等三個(gè)隨動(dòng)助力技術(shù)(SAT)的理論基礎(chǔ);搭建一套完整的電液混合的仿生救援助力外骨骼實(shí)驗(yàn)平臺。第二章圍繞SAT隨動(dòng)助力技術(shù)體系中的人體的生物力學(xué)及其相關(guān)的外骨骼機(jī)器人動(dòng)力學(xué)與柔性關(guān)節(jié)軌跡跟蹤控制進(jìn)行了全面及深入的分析研究,相關(guān)成果對指導(dǎo)外骨骼機(jī)器人的設(shè)計(jì)具有重要的理論指導(dǎo)意義。文章首先從解剖學(xué)的角度分析了人體全身的骨骼分布,利用機(jī)器人學(xué)的原理提出了人體的ZRRC-EXBOT自由度模型及空間坐標(biāo)系結(jié)構(gòu),討論分析了人體關(guān)節(jié)特點(diǎn);綜合應(yīng)用生物力學(xué)及機(jī)器人學(xué)的理論成果對外骨骼機(jī)器人動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了分析研究,對下肢七桿動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行了建模及仿真實(shí)驗(yàn);研究了上肢電動(dòng)外骨骼柔性單關(guān)節(jié)的建模及軌跡跟蹤控制問題。第三章闡述了 SAT隨動(dòng)助力技術(shù)體系中,利用李群旋量理論針對具有復(fù)雜自由度的仿人外骨骼機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)建模與快速計(jì)算問題進(jìn)行了研究。外骨骼機(jī)器人各關(guān)節(jié)軸需要與人類各關(guān)節(jié)軸實(shí)現(xiàn)更加光滑融合,幾何結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜,智能程度更高、功能和性能要求更豐富和苛刻。面對這樣的挑戰(zhàn),本文脫離了傳統(tǒng)機(jī)器人學(xué)框架,用現(xiàn)代機(jī)器人學(xué)中的李群與旋量理論來嘗試解決助力外骨骼機(jī)器人遇到的問題。以幾何學(xué)描述為基本平臺,將外骨骼機(jī)器人剛體運(yùn)動(dòng)抽象為剛體運(yùn)動(dòng)群SE(3)數(shù)學(xué)模型,圍繞SE(3)的幾何學(xué)特性和數(shù)學(xué)描述方法展開研究。本文創(chuàng)新地用李群與旋量推導(dǎo)了上肢串聯(lián)六關(guān)節(jié)外骨骼個(gè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程,并實(shí)例驗(yàn)證了基于李群李代數(shù)及旋量理論的外骨骼機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解求解算法,求解過程更加簡潔,物理意義更加清晰。第四章根據(jù)實(shí)際救援救災(zāi)中人的活動(dòng)場景,利用SAT隨動(dòng)助力技術(shù)體系,設(shè)計(jì)加工了救援助力外骨骼機(jī)器人的機(jī)械液壓系統(tǒng)、電氣及控制軟件系統(tǒng)等功能單元,通過此實(shí)驗(yàn)平臺驗(yàn)證救援外骨骼機(jī)器人助力的原理及實(shí)際應(yīng)用效果。第五章重點(diǎn)研究了助力外骨骼機(jī)器人的SAT隨動(dòng)助力控制策略,并且得到了良好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。本章首先對人體運(yùn)動(dòng)意圖的識別做了系統(tǒng)全面的調(diào)研,詳細(xì)介紹了基于生物傳感器和基于光機(jī)電等物理化學(xué)原理傳感器的人機(jī)交互原理;繼而利用CNN卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、RNN循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等深度學(xué)習(xí)的方法對人體運(yùn)動(dòng)步態(tài)識別及運(yùn)動(dòng)意圖預(yù)測進(jìn)行了研究;接著研究了外骨骼機(jī)器人SAT隨動(dòng)助力控制策略,利用人機(jī)交互力作為人體運(yùn)動(dòng)意圖識別,該方法創(chuàng)新性將人機(jī)間的作用力,轉(zhuǎn)化成運(yùn)動(dòng)位移及速度,通過機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解轉(zhuǎn)化各關(guān)節(jié)的角度;最后文章研究了實(shí)現(xiàn)了救援外骨骼跟隨助力控制的方法,將人機(jī)交互力最小化作為控制目標(biāo)來實(shí)現(xiàn)了隨動(dòng)助力,通過人機(jī)交互跟隨實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了理論模型的可行性。第六章對全文進(jìn)行總結(jié)。課題緊緊圍繞外骨骼機(jī)器人隨動(dòng)助力技術(shù)(SAT)研究,以實(shí)現(xiàn)可穿戴柔性外骨骼系統(tǒng)助力為目標(biāo),創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一套助力外骨骼機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺。本章總結(jié)了外骨骼的核心技術(shù);總結(jié)提出了外骨骼隨動(dòng)助力SAT技術(shù)的核心技術(shù)思想;總結(jié)了課題主要的研究工作及結(jié)論,并重點(diǎn)討論了本課題研究的創(chuàng)新點(diǎn),并對后續(xù)的研究工作進(jìn)行了展望。
【學(xué)位單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TP242
【部分圖文】：

中華民族的文化歷史延續(xù)就是靠著不斷與自然、災(zāi)難、環(huán)境作斗爭才延續(xù)到現(xiàn)在。具逡逑有“首創(chuàng)、獨(dú)創(chuàng)和外拓”精神的良渚文化，被譽(yù)為“五千年中華文明之光”；大禹治水、愚逡逑公移山等表現(xiàn)中國人的不屈不撓的與自然災(zāi)害做斗爭精神；其中如圖１－１邋（ａ）所示，浙江逡逑大學(xué)玉泉校區(qū)坐落的良渚玉碌求是碑，（ｂ）展示了四千年前夏朝大禹治水的情景。逡逑（ａ）良渚玉琮邐（ｂ）大禹治水逡逑圖１－１中華文明的創(chuàng)造與斗爭精神逡逑（ａ）雪山上運(yùn)輸物資邐（ｂ）背負(fù)傷員逡逑２逡逑

全世界約有１００萬余種，其中昆蟲綱Ｉｎｓｅｃｔａ就有１００萬種，約占動(dòng)物界總種數(shù)８０％。逡逑從生物界得到了某些啟發(fā)，人類歷史上為了某種特殊的用途，發(fā)明了盔甲、生命保護(hù)逡逑系統(tǒng)、防化服等套在人體的外層用于保護(hù)自身安全，如圖１－３所示。然而這些防護(hù)裝置，逡逑穿戴在人體身上后由于缺乏主動(dòng)增力裝置，增加了人類的負(fù)荷，給人類的行動(dòng)帶來了不便。逡逑這種裝置未來在外骨骼機(jī)器人技術(shù)的帶動(dòng)下，一定會(huì)有新的改進(jìn)升級。逡逑卜１：１魯逡逑＿邋｜邋欵，ｆ１！逡逑（ａ）

（ｃ）逡逑圖１－４哈佛大學(xué)Ｓｏｆｔ邋Ｅｘｏｓｕｉｔ柔性外骨骼逡逑哈佛大學(xué)仿生實(shí)驗(yàn)研究的柔性可穿戴外骨骼機(jī)器人，如圖１－４所示。它是由編織成帶逡逑狀的紡織物組成，可以包裹佩戴者的腰部和腿部。機(jī)器人包括微處理器、傳感器和能源。逡逑腰部安裝電機(jī)用于提供動(dòng)力。它的設(shè)計(jì)理念是能夠主動(dòng)感知人體運(yùn)動(dòng)意圖，不中斷人體主逡逑動(dòng)的高效運(yùn)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)助力。核心的技術(shù)特征是利用多傳感器融合的方法監(jiān)控人機(jī)間的作用逡逑力及人體運(yùn)動(dòng)的步態(tài)。研究結(jié)果顯示穿上柔性外骨后，負(fù)載行走可以減少４．６／％到１４．６％逡逑的人體代謝量。圖（ａ）顯示的是整體的實(shí)驗(yàn)平臺，可以看到它的驅(qū)動(dòng)單元和外骨骼是分離通逡逑過線纜連接；圖（ｂ）顯示驅(qū)動(dòng)線纜安裝在髖關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的位置，可以注意到該款外骨骼逡逑沒有做膝關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)；圖（ｃ）顯示它的單個(gè)驅(qū)動(dòng)單元由兩套直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的滾珠絲杠逡逑構(gòu)成，滾珠絲杠的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)線纜的運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)。但是從傳感器的使用逡逑上來看，該外骨骼屬于預(yù)編程控制方法，靈活性還需進(jìn)一步驗(yàn)證；另外由于是柔性的機(jī)構(gòu)，

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本文編號：2822486