【摘要】：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,人體能力增強(qiáng)方面的研究思想和需求漸漸的得到了人們的重視,其應(yīng)用領(lǐng)域從生活上看可以解決老年人和殘疾人行動(dòng)不便的問(wèn)題,從工作上看,可以幫助人們實(shí)現(xiàn)正常體能完成不了的負(fù)載工作,例如托舉搬運(yùn)大質(zhì)量的貨物,或者長(zhǎng)時(shí)間背負(fù)質(zhì)量執(zhí)行各種特殊任務(wù)等。而外骨骼機(jī)器人作為一種穿戴式助力機(jī)器人漸漸引入人們的視野中,其可以將人的智商和機(jī)器的能力進(jìn)行有機(jī)的結(jié)合,在不影響人體運(yùn)動(dòng)的同時(shí),實(shí)現(xiàn)超出人體能的功率輸出。它非常適合助老助殘或者給人體提供額外助力方面的應(yīng)用,并且也可以作為子系統(tǒng)應(yīng)用在地震救援、消防搶險(xiǎn)、野外行軍以及航天航空等方面。目前國(guó)內(nèi)對(duì)外骨骼的研究已經(jīng)初具規(guī)模,產(chǎn)生了諸多的上下肢外骨骼樣機(jī),但是具有全身功能的外骨骼系統(tǒng),以及能夠進(jìn)行復(fù)雜路面行走,并且執(zhí)行托舉搬運(yùn)功能的研究成果并不多見,另外對(duì)于全身外骨骼的建模以及控制系統(tǒng)的研制還處于比較初級(jí)的階段。本文通過(guò)面向托舉搬運(yùn)功能的全身助力外骨骼系統(tǒng)的研制,根據(jù)上下肢的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)進(jìn)行合理的創(chuàng)新設(shè)計(jì),使其具有大負(fù)載的能力,并且對(duì)人體運(yùn)動(dòng)辨識(shí)、全身外骨骼系統(tǒng)控制都進(jìn)行了深入的探討,最后,通過(guò)具體的驗(yàn)證演示實(shí)驗(yàn),證明的本文外骨骼理論的實(shí)踐效果。在上肢外骨骼的設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于由于其負(fù)載時(shí)力臂較長(zhǎng)所以很難實(shí)現(xiàn)大載荷的負(fù)重效果,本文通過(guò)利用氣彈簧被動(dòng)儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了以被動(dòng)方式代替主動(dòng)方式的上肢外骨骼結(jié)構(gòu),并且在解決了電機(jī)力矩問(wèn)題的同時(shí),相較于傳統(tǒng)的彈簧結(jié)構(gòu)而言,通過(guò)氣彈簧平衡結(jié)構(gòu)的運(yùn)用也增加了結(jié)構(gòu)的緊湊性,然后根據(jù)氣彈簧的具體出力性能對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化,使得整體平衡性能得到了提升。最后,根據(jù)整體系統(tǒng)的調(diào)整時(shí)間和能力,對(duì)控制方式進(jìn)行了設(shè)計(jì),為全身外骨骼整體系統(tǒng)運(yùn)行奠定了基礎(chǔ)。下肢外骨骼的設(shè)計(jì)和上肢外骨骼相比其具有更復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)方式,本文先進(jìn)行了人體解剖學(xué)以及人體在行走、蹲起、上樓以及下樓狀態(tài)的仿真,從中獲得了人體運(yùn)動(dòng)所需的運(yùn)動(dòng)范圍和消耗功率,通過(guò)以上參數(shù),對(duì)下肢外骨骼系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。在關(guān)節(jié)上通過(guò)連桿絲杠的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了變減速比傳動(dòng),使得外骨骼關(guān)節(jié)電機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩在各個(gè)角度上得到了合理分配,并通過(guò)具體仿真和結(jié)構(gòu)需求,對(duì)連桿的位置的長(zhǎng)度進(jìn)行了優(yōu)化計(jì)算,最后通過(guò)關(guān)節(jié)編碼器、陀螺儀、足底壓力信號(hào)以及連桿力信號(hào)等組合研制了一套下肢外骨骼的閉環(huán)控制方案。本文針對(duì)上下肢系統(tǒng)聯(lián)合的特點(diǎn),首先通過(guò)腳底壓力反饋的信號(hào),利用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)人體的運(yùn)動(dòng)相位進(jìn)行了實(shí)時(shí)的辨識(shí),為上下肢的聯(lián)合建�？刂铺峁┲匾膮�(shù)。在建模方面,針對(duì)上肢的結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),將其等效成了變質(zhì)心坐標(biāo)的質(zhì)量塊,并且計(jì)算出其重心的位置矢量,在下肢的動(dòng)力學(xué)建模中通過(guò)上肢重心的位置矢量計(jì)算結(jié)果,對(duì)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算出的人體相位辨識(shí)情況進(jìn)行了分別的動(dòng)力學(xué)分析,得出了不同相位的動(dòng)力學(xué)模型。最后,通過(guò)動(dòng)力學(xué)模型的結(jié)果,并利用連桿的交互力反饋實(shí)現(xiàn)了基于靈敏度放大前饋的力閉環(huán)的控制方法,從而達(dá)到了全身外骨骼的穩(wěn)定助力行走的效果。為了測(cè)試外骨骼機(jī)器人的助力效果,搭建了包括外骨骼機(jī)器人本體以及模擬實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地的平臺(tái)。試驗(yàn)分為上肢外骨骼測(cè)試,下肢外骨骼測(cè)試以及全身外骨骼助力性能測(cè)試三個(gè)部分。首先通過(guò)上肢外骨骼實(shí)驗(yàn)平臺(tái)測(cè)試了上肢外骨骼的負(fù)載能力,以及其助力性能的評(píng)測(cè)。然后利用下肢外骨骼實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)外骨骼的穿戴舒適性、運(yùn)動(dòng)靈活性以及環(huán)境適應(yīng)性進(jìn)行了測(cè)試,并且通過(guò)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)以及人機(jī)交互數(shù)據(jù)對(duì)下肢外骨骼的負(fù)載性能以及速度能力進(jìn)行了測(cè)試。最后,以穿戴全身外骨骼運(yùn)動(dòng)的形式,通過(guò)人機(jī)功效和生理測(cè)試等方面,來(lái)證明全身外骨骼的助力性能。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TP242
【圖文】：

第 1 章 緒論 并且利用下標(biāo)代表自由度數(shù)量，其中 c（水平面轉(zhuǎn)動(dòng)自由度）、s（矢狀面轉(zhuǎn)動(dòng)由度）、v（額狀面轉(zhuǎn)動(dòng)自由度），故 SARCOS 公司外骨骼自由度布置可以表述Sc-s-v-Es-Wc-s-v-Hc-s-v-Ks-Ac-s-v。而在驅(qū)動(dòng)的選取上基本實(shí)現(xiàn)了所有主動(dòng)關(guān)節(jié)的驅(qū)分別為單臂 5 個(gè)驅(qū)動(dòng)、腰部一個(gè)驅(qū)動(dòng)、單腿 5 個(gè)驅(qū)動(dòng)。這樣的實(shí)現(xiàn)方式，使SARCOS 公司系類外骨骼具有跑、跳，甚至踢足球、俯臥撐等復(fù)雜運(yùn)動(dòng)能力[13]SARCOS 公司經(jīng)過(guò)二代外骨骼的發(fā)展，在 2010 年公布了 XOS-2。對(duì)比前代外骨骼，XOS-2 選用擺動(dòng)缸為主要執(zhí)行元件，并且在材料和傳感器方面進(jìn)行全面提升，使得 XOS-2 能耗降低了 50%，并且實(shí)際重力與感知重量之比提升了 17:1。但是該系統(tǒng)仍然沒(méi)有解決液壓系統(tǒng)能源利用率低的問(wèn)題，在實(shí)際使用需要配備專門的外設(shè)電源[14]。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位論文 髖關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)以及肘關(guān)節(jié) 4 自由度個(gè)為主動(dòng)自由度，利用直流伺服電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)其驅(qū)動(dòng)。在傳感器方面，延續(xù)了前代的肌電信號(hào)的傳感方式，并增加上肢位置角度信息融合算法，實(shí)現(xiàn)上下肢的聯(lián)合控制。 HAL-5C 和 HAL-5LB 為助老助殘型下肢外骨骼，主要針對(duì)于行動(dòng)不便的病人或者老年人來(lái)使用的。兩者針對(duì)與不同程度殘疾情況，在結(jié)構(gòu)上有所區(qū)別。HAL-5C 在膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)上設(shè)有驅(qū)動(dòng)電機(jī)，并取消了踝關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)，主要針對(duì)于復(fù)健和老年人等輕度傷殘的人群。而 HAL-5LB 在踝關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)上設(shè)置了三組電機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)助行即協(xié)助站起的功能效果[17-21]。

HAL-5C 和 HAL-5LB 為助老助殘型下肢外骨骼，主要針對(duì)于行動(dòng)不便的病人或者老年人來(lái)使用的。兩者針對(duì)與不同程度殘疾情況，在結(jié)構(gòu)上有所區(qū)別。HAL-5C 在膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)上設(shè)有驅(qū)動(dòng)電機(jī)，并取消了踝關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)，主要針對(duì)于復(fù)健和老年人等輕度傷殘的人群。而 HAL-5LB 在踝關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)上設(shè)置了三組電機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)助行即協(xié)助站起的功能效果[17-21]。 a) HAL-1 b) HAL-3 c) HAL-5(Type-B) d) HAL-5(Type-C) e) HAL-5LB(Type-C)圖 1-2 日本筑波大學(xué) HAL 系列外骨骼Fig.1-2 Powered exoskeleton series by University of Tsukuba

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2778469