發(fā)布時間：2021-10-24 11:40

　　外骨骼機(jī)器人是一種可供穿戴式機(jī)器人,在軍事裝備、醫(yī)療輔助和民用設(shè)備等方面具有極廣泛的使用場景。然而,在實(shí)際使用過程中,外骨骼機(jī)器人有顯著的設(shè)備慣性、運(yùn)動學(xué)約束和缺乏最優(yōu)控制方法等缺陷。軟體外骨骼機(jī)器人是一種基于紡織布料的可穿戴設(shè)備,提供了一種與人體接觸的適形、舒適和順從的方式,能夠解決上述挑戰(zhàn)。與大多數(shù)剛性的外骨骼不同,下肢軟體外骨骼輕便貼身如同外套,與近端安裝的驅(qū)動器相結(jié)合,可以提供與下肢肌肉平行的力量,降低人體新陳代謝,提高行走效率。本文主要在軟體外骨骼、驅(qū)動平臺、控制器和優(yōu)化方法的開發(fā)上進(jìn)行了研究,研究內(nèi)容主要包括以下幾個方面:（1）基于人體步態(tài)分析和軟體外骨骼運(yùn)動學(xué)分析,并借助在MATLAB和Open Sim平臺的仿真,對軟體外骨骼總體方案提出了設(shè)計(jì),還介紹了軟體外骨骼的工作原理和設(shè)計(jì)關(guān)節(jié)驅(qū)動平臺。針對軟體外骨骼,設(shè)計(jì)了基于迭代力的位置控制和切換導(dǎo)納-位置控制器的兩種類型外骨骼控制器�；诘Φ奈恢每刂瓶梢栽谡`差范圍內(nèi)準(zhǔn)確檢測踝部伸展起始時間和跟蹤輔助剖面的峰值時間和峰值大小。切換導(dǎo)納-位置控制器可以跟蹤助力曲線的變化。（2）為了探索人機(jī)交互以及驅(qū)動平臺施力時間的選擇,進(jìn)行了... 

【文章來源】：廣東工業(yè)大學(xué)廣東省

【文章頁數(shù)】：67 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

準(zhǔn)被動腿外骨骼[12]

第一章緒論5圖1-2哈佛大學(xué)自主多關(guān)節(jié)驅(qū)動系統(tǒng)[16]Fig1-2Harvardautonomousmulti-jointdrivesystem[16](2)力量增強(qiáng)增強(qiáng)健康個體執(zhí)行體力任務(wù)的能力，或者使他們能夠執(zhí)行純?nèi)肆o法完成的任務(wù)，是可穿戴輔助設(shè)備的另一個重要應(yīng)用[18]。例如，工廠工人在日常工作中經(jīng)常需要搬運(yùn)沉重的部件或設(shè)備，持續(xù)的負(fù)重活動常常會導(dǎo)致疲勞，甚至?xí)䲟p傷他們的胳膊、腿或背部肌肉�？纱┐鬏o助設(shè)備具有增強(qiáng)性能和防止肌肉拉傷的潛力，特別是對于那些受地形和空間限制的任務(wù)。上世紀(jì)60年代末，通用電氣研究公司(GeneralElectricResearch)和康奈爾大學(xué)(CornellUniversity)建造了第一個全身動力外骨骼原型，為“哈迪曼”(Hardiman)[19]。這是一個巨大的液壓機(jī)器，目的是大幅度增加佩戴者的力量。它包含30個自由度，重達(dá)680公斤，設(shè)計(jì)時將佩戴者的手臂和腿部力量放大了25倍。研發(fā)用于增強(qiáng)力量的外骨骼的一個主要動力來自由美國國防高級研究計(jì)劃局（DARPA）贊助的人體機(jī)能增強(qiáng)外骨骼（EHPA）項(xiàng)目。2004年，Sarcos研究公司又制造了一款全身外骨骼“可穿戴的自主式機(jī)器人(WEAR)”(圖1-3)[20]。外骨骼采用液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)，利用機(jī)器人與穿戴者之間的力感，允許穿戴者一只腳站立，還能背起另一個人，手臂23公斤，可以在泥濘中行走，也可以扭、蹲、跪。在2005年，另一個外骨骼，伯克利外骨骼(BLEEX)，也根據(jù)EHPA項(xiàng)目建造。BLEEX有7個自由度，包括4個主動自由度，2個彈簧被動自由度和1個自由旋轉(zhuǎn)自由度。外骨骼是通過雙向線性液壓缸驅(qū)動的，能夠以0.9米/秒的速度行走，同時支撐高達(dá)

廣東工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文675公斤的負(fù)載。在不攜帶有效載荷的情況下，外骨骼可以以1.3米/秒的速度行走。在EHPA項(xiàng)目的推動下，越來越多的研究團(tuán)隊(duì)和公司致力于開發(fā)老年人步行輔助外骨骼增強(qiáng)系統(tǒng)。這些可穿戴輔助設(shè)備的設(shè)計(jì)目的是促進(jìn)老年人的移動和增加社區(qū)步行，這對老年人的生活質(zhì)量至關(guān)重要。2017年，三星公司為老年人開發(fā)了幾款外骨骼，以輔助髖關(guān)節(jié)、膝蓋和腳踝。圖1.3可穿戴的自主式機(jī)器人(WEAR)[20]Fig1-3Wearableautonomousrobots（WEAR）[20](3)矯形器和康復(fù)訓(xùn)練僅在中國,大約有600萬中風(fēng)患者，脊髓損傷患者和脊柱裂患者一共約有530萬，3萬多發(fā)性硬化癥患者,所有這些病人都將受益于矯形器和康復(fù)[21]。正如預(yù)期的那樣，早期作為矯形器或用于康復(fù)訓(xùn)練的可穿戴設(shè)備本質(zhì)上被修改為提供幫助的標(biāo)準(zhǔn)支架。第一次提到這種裝置是1935年的一項(xiàng)美國專利。該設(shè)備是一個腿支架與往復(fù)運(yùn)動的膝蓋。1942年，第一個可控主動矯形器被開發(fā)出來，使用液壓執(zhí)行器來輔助髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)。由于當(dāng)時的控制理論有限，整個裝置由11個液壓閥的物理開閉控制[22]。1970年，貝爾格萊德的MihailoPupin研究所開發(fā)了另一種液壓外骨骼，可以驅(qū)動髖、膝和踝關(guān)節(jié)的矢狀面。它還有一個支撐軀干的胸部支架。使用這種設(shè)備進(jìn)行了100多個臨床試驗(yàn)，許多不同程度癱瘓的患者掌握了使用這種帶拐杖的外骨骼走路。1971年，威斯康星大學(xué)研制出一種完整的腿部外骨骼。該設(shè)備的設(shè)計(jì)目的是幫助截癱患者行走，使他們的上半身能夠完全活動。經(jīng)過這些早期矯形器的發(fā)展，矯形技術(shù)的發(fā)展速度越來越快。開發(fā)了各種各樣

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博士論文
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本文編號：3455219