下肢外骨骼是一種可穿戴在人體下肢,增強(qiáng)或恢復(fù)人體下肢運(yùn)動機(jī)能的人機(jī)一體化機(jī)械系統(tǒng),可以通過增強(qiáng)正常人的行走速度和負(fù)重能力用于單兵作戰(zhàn)、極地考察、地震援救等特殊作業(yè)環(huán)境,而且可以為下肢功能障礙者提供行走助力和康復(fù)訓(xùn)練。鑒于下肢外骨骼在軍事、太空探索、醫(yī)療康復(fù)和助老助殘等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景,下肢外骨骼的研究在各個(gè)領(lǐng)域日趨迫切和深入。下肢外骨骼是一種典型的人機(jī)高度耦合系統(tǒng),因此穿戴者的安全性和舒適性是衡量穿戴性能的重要指標(biāo)。此外,節(jié)能和輕量化也將成為下肢外骨骼發(fā)展的重要趨勢。因此,研究下肢外骨骼系統(tǒng)的安全性、舒適性和節(jié)能具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。在下肢外骨骼服役過程中存在諸多不確定性因素,這將影響下肢外骨骼系統(tǒng)的運(yùn)動性能,導(dǎo)致下肢外骨骼運(yùn)行軌跡與人體運(yùn)動軌跡產(chǎn)生差異,發(fā)生人機(jī)碰撞,對穿戴者的舒適性和安全性造成影響,當(dāng)人機(jī)耦合過程中的不一致性過大時(shí)會對穿戴者造成傷害。本文將針對下肢外骨骼運(yùn)行過程中的安全性、舒適性以及節(jié)能等要求,在設(shè)計(jì)階段開展下肢外骨骼系統(tǒng)動態(tài)不確定性設(shè)計(jì)研究,主要內(nèi)容和創(chuàng)新性成果總結(jié)如下:(1)基于人體下肢運(yùn)動特性,提出了下肢外骨骼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型為實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)靈巧、人機(jī)耦合高度契合、穿戴安全舒適的下肢外骨骼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),充分研究了人體下肢運(yùn)動特性,建立了人體下肢關(guān)節(jié)角運(yùn)動軌跡函數(shù)、運(yùn)動學(xué)正逆模型及相關(guān)求解算法。據(jù)此,采用不完全匹配人體運(yùn)動學(xué)的半擬人化設(shè)計(jì),合理配置下肢外骨骼驅(qū)動自由度和驅(qū)動關(guān)節(jié),建立下肢外骨骼虛擬模型,為下肢外骨骼動態(tài)不確定性設(shè)計(jì)提供了輸入。(2)建立了基于內(nèi)部不確定性的下肢外骨骼人機(jī)耦合一致性模型并提出了兩種時(shí)變可靠性分析方法為了衡量下肢外骨骼系統(tǒng)在內(nèi)部不確定因素影響下的安全性,以下肢外骨骼實(shí)際軌跡與穿戴者理論軌跡的跟隨程度定義了人機(jī)耦合一致性,揭示了人機(jī)碰撞規(guī)律。追蹤內(nèi)部不確定因素的來源和傳遞方式,考慮各個(gè)關(guān)節(jié)的相關(guān)性,建立了關(guān)節(jié)獨(dú)立的一致性模型和關(guān)節(jié)相關(guān)的一致性模型。依據(jù)一致性模型的特點(diǎn),提出了兩種時(shí)變可靠性評估方法,揭示了內(nèi)部不確定影響下的下肢外骨骼安全性演變規(guī)律。結(jié)果表明,隨步態(tài)進(jìn)程的推進(jìn),不一致性逐漸累積,安全性逐漸降低,為節(jié)能、安全性和舒適性設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。(3)建立了考慮隨機(jī)路面作用的下肢外骨骼人機(jī)耦合一致性模型并提出了一種多失效模式和多空間參數(shù)耦合的時(shí)變可靠性分析方法根據(jù)下肢外骨骼不確定性的來源,可將不確定性分為內(nèi)部不確定性和外部不確定性,外部不確定性的主要來源是工況環(huán)境,即隨機(jī)路面信息�？紤]隨機(jī)路面信息對下肢外骨骼末端軌跡的作用情況,以下肢外骨骼正運(yùn)動分析為基礎(chǔ),以不確定影響下的實(shí)際末端軌跡與理論末端軌跡的差異程度為度量,分別建立了支撐相和擺動相的一致性模型。同時(shí)提出了多失效模式和多空間參數(shù)耦合的時(shí)變可靠性分析方法,得到了隨機(jī)路面影響下的下肢外骨骼安全性變化規(guī)律,同樣為安全性和舒適性設(shè)計(jì)奠定了理論基礎(chǔ)。(4)建立了一致性節(jié)能優(yōu)化模型并探尋了一種高效時(shí)變可靠性優(yōu)化解耦算法依據(jù)下肢外骨骼選擇的驅(qū)動關(guān)節(jié)和驅(qū)動器的配置方案,以能源消耗最大的液壓驅(qū)動為設(shè)計(jì)對象,在保證下肢外骨骼正常驅(qū)動的情況下,建立了液壓缸能耗模型。為了保證下肢外骨骼的安全性,構(gòu)建了人機(jī)耦合一致性約束條件,以液壓缸的配置尺寸為設(shè)計(jì)目標(biāo),建立了下肢外骨骼一致性節(jié)能模型。同時(shí),提出了一種高效的時(shí)變可靠性優(yōu)化解耦算法來求解液壓缸最優(yōu)配置方案,該解耦算法擴(kuò)充了動態(tài)不確定設(shè)計(jì)的求解方法。研究結(jié)果顯示,相比確定性的節(jié)能優(yōu)化,一致性節(jié)能優(yōu)化模型在保證下肢外骨骼安全性上有顯著優(yōu)勢。(5)建立了下肢外骨骼安全性設(shè)計(jì)和舒適性設(shè)計(jì)的統(tǒng)一框架并探尋了一種時(shí)變可靠性穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計(jì)算法安全性和舒適性是下肢外骨骼動態(tài)不確定優(yōu)化設(shè)計(jì)的兩個(gè)基本屬性,在下肢外骨骼設(shè)計(jì)過程中需要同時(shí)滿足。追蹤不確定性因素在下肢外骨骼系統(tǒng)中的傳遞途徑,根據(jù)穩(wěn)健性的內(nèi)涵,以不確定條件下關(guān)節(jié)角的波動程度來刻畫下肢外骨骼的舒適性,建立了表征舒適性的穩(wěn)健性能函數(shù);根據(jù)一致性的定義,以不確定條件下關(guān)節(jié)角的實(shí)際值與理論值之間的差值來描述下肢外骨骼安全性,建立了表征安全性的一致性性能函數(shù)。最終建立了下肢外骨骼一致性穩(wěn)健設(shè)計(jì)的統(tǒng)一模型,真正實(shí)現(xiàn)了安全性設(shè)計(jì)和舒適性設(shè)計(jì)的結(jié)合,形成了下肢外骨骼動態(tài)不確定性設(shè)計(jì)體系。一致性穩(wěn)健模型表現(xiàn)為多失效模式和多空間參數(shù)耦合的時(shí)變可靠性穩(wěn)健設(shè)計(jì)問題,據(jù)此,提出了一種求解算法,豐富了動態(tài)不確定性設(shè)計(jì)理論體系和求解方法。
【學(xué)位單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TH77
【部分圖文】：

機(jī)器人并不斷對其性能進(jìn)行優(yōu)化，麻資助下研制出了下肢助力外骨骼機(jī)器利分校 2004 年研制的 BLEEX 下肢能夠負(fù)重的下肢外骨骼外機(jī)器人[3-7]力機(jī)械腿、一個(gè)電源和一個(gè)可安裝各節(jié)（髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)）、7 個(gè) 3 個(gè)）和 4 個(gè)液壓缸驅(qū)動。4 個(gè)液壓缸關(guān)節(jié)彎曲/伸展以及踝關(guān)節(jié)彎曲/伸展 4簧輔助驅(qū)動�；谙轮夤趋绖恿W(xué)”方法，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)的跟隨運(yùn)動。由使執(zhí)行效率不高，實(shí)用性較低。其研節(jié)跟隨控制代替主動控制，簡化外統(tǒng)可以跟隨人體動作進(jìn)行運(yùn)動，適合oClimber 系統(tǒng)，該系統(tǒng)最大可負(fù)重 90格外重視[6]。

電子科技大學(xué)博士學(xué)位論文美國洛克希德馬丁公司基于加州大學(xué)伯克利分校的下肢外提升士兵負(fù)重能力，對 BLEEX 進(jìn)行了軍事化的工程技術(shù)改種金屬骨架—“人類負(fù)重外骨骼”（HumanUniversalLoadC1-2 所示，該款外骨骼增加了上肢輔助功能，能夠通過提供機(jī)動性的需求，提高士兵在各種復(fù)雜環(huán)境下的負(fù)重能力，能0Kg 的情況下以 4.8m/s 的速度長時(shí)間行走。同時(shí)，基于 H國 Berkeley Bionics 公司開發(fā)了 eLegs（Ekso）康復(fù)助行外

第一章 緒論展自由度安裝磁流變阻器，在踝關(guān)節(jié)安裝分離彈過磁流變阻尼器鎖死膝關(guān)節(jié)，利用安裝于踝關(guān)節(jié)系統(tǒng)的重力勢能和動能，并在合適的時(shí)候釋放。系統(tǒng)自重僅有 11.7kg，在零負(fù)重的情況下，保證系在負(fù)重能力 36kg 的條件下，能夠保持 1m/s 的速度體會產(chǎn)生額外代謝耗能，并且高達(dá) 10%。

【參考文獻(xiàn)】

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