基于柔性外骨骼人機智能系統(tǒng)基礎(chǔ)理論及應(yīng)用技術(shù)研究.pdf

1、近幾年來，柔性外骨骼人機智能系統(tǒng)已成為機器人技術(shù)、機電工程、自動控制、生物工程以及人工智能等學科領(lǐng)域中一個新的研究熱點，并在科研、工業(yè)生產(chǎn)、太空或深海探索、娛樂、運動康復(fù)和日常生活中逐步得到了廣泛地應(yīng)用。柔性外骨骼人機智能技術(shù)以人機一體化技術(shù)為核心，充分發(fā)揮人和智能機器各自的優(yōu)勢，通過在感知、決策以及執(zhí)行層面上有機的人機耦合，增強系統(tǒng)的性能。遙操作外骨骼和增力型外骨骼是柔性外骨骼人機智能系統(tǒng)的兩個重要研究方向。近幾年來國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的技

2、術(shù)研究和相關(guān)產(chǎn)品開發(fā)表明，柔性外骨骼人機智能系統(tǒng)具有極大的基礎(chǔ)科學研究意義和應(yīng)用前景。 “可穿戴”是柔性外骨骼最主要的特點，因此，在柔性外骨骼結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中必須遵循擬人化，不僅在運動形式上需要保持一致，而且在運動自由度分布上也應(yīng)一致，保證穿戴者(人)與柔性外骨骼的運動一致性，由此，可通過D-H參數(shù)方法建立人的肢體和外骨骼系統(tǒng)的多剛體串聯(lián)運動學模型。在此模型基礎(chǔ)上，分析人體上肢神經(jīng)肌肉運動及感知機理，并建立人體上肢神經(jīng)肌肉及各關(guān)節(jié)

3、的運動模型，選用3RPS并聯(lián)機構(gòu)實現(xiàn)肩關(guān)節(jié)3自由度運動，可充分保證6自由度上肢柔性外骨骼機械手可柔順地跟隨操作者的上肢運動。根據(jù)人體下肢運動關(guān)節(jié)自由度分布及運動機理，設(shè)計了由直流伺服電機與滾珠絲杠構(gòu)成關(guān)節(jié)直線驅(qū)動器來模擬關(guān)節(jié)運動骨骼肌的4自由度下肢外骨骼系統(tǒng)。并通過對人體下肢行走步態(tài)進行分析，提出下肢外骨骼系統(tǒng)人機5桿運動學動力學模型。為確保柔性外骨骼在操作的舒適性和安全性，柔性外骨骼與人的接觸位置應(yīng)選擇人體上承壓能力較好的區(qū)域以及不影

4、響關(guān)節(jié)運動的區(qū)域。同時可以通過采用小質(zhì)量/慣量運動零件、柔性關(guān)節(jié)、安全限位等安全設(shè)計方法，減少意外碰撞過程中外骨骼對人的沖擊力，通過對意外碰撞過程中外骨骼對人的沖擊力與人的安全臨界沖擊力之間比較，可以對柔性外骨骼人機智能技術(shù)的安全性能進行評價。 其次，人機交互控制是柔性外骨骼人機智能系統(tǒng)中體現(xiàn)人機智能耦合的重要組成部分，為此需要人和柔性外骨骼在相互平等的條件下實現(xiàn)感知層中人機信息感知、交互與融合，決策層人機協(xié)調(diào)控制決策以及執(zhí)行層

5、人機交互動作。根據(jù)上肢柔性外骨骼與下肢運動康復(fù)外骨骼的使用目標，分別提出了上肢柔性外骨骼力反饋控制策略以及下肢運動康復(fù)外骨骼被動控制、半主動控制以及主動控制三種康復(fù)訓練控制策略。根據(jù)柔性外骨骼人機智能技術(shù)中人與外骨骼的協(xié)調(diào)工作模式，建立系統(tǒng)的n端口網(wǎng)絡(luò)模型，并通過無源性理論對系統(tǒng)人機交互控制的穩(wěn)定性作出判別。此外，總線模式的系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架充分保證了柔性外骨骼系統(tǒng)的控制指令和信息傳遞的準確性和可靠性。而根據(jù)系統(tǒng)任務(wù)的目標與要求、機器系統(tǒng)

6、模型、人的模型以及工作負荷與匹配信息的動態(tài)任務(wù)分配模式，充分體現(xiàn)了人與外骨骼之間的協(xié)同合作。 上肢柔性外骨骼以其卓越的人機信息耦合能力，是實現(xiàn)機械手力反饋主從控制的理想方法。本研究中，根據(jù)人體上肢模型及所提出的上肢柔性外骨骼結(jié)構(gòu)，采用正交試驗方法對結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計，保證了上肢柔性外骨骼能夠最大范圍地適應(yīng)人體上肢的自由運動。首次提出了對主從機械手的運動空間以及欠運動自由度空間的匹配方法，改善了主從異構(gòu)機械手在運動奇異點、關(guān)節(jié)運

7、動極限點等運動空間的控制性能，充分實現(xiàn)了上肢柔性外骨骼與從機械手之間的運動協(xié)調(diào)。在系統(tǒng)氣動力反饋控制結(jié)構(gòu)中，通過分布式的混合模糊控制器克服了氣動系統(tǒng)非線性強、控制精度差等困難，采用微型氣動系統(tǒng)實時地再現(xiàn)機械手遙操作時感知力信號，控制誤差小于5％，增強了操作的真實感。為克服以Internet為信息媒介的遙操作系統(tǒng)由于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸時變延時對控制穩(wěn)定性的影響，文中提出了基于多事件的控制結(jié)構(gòu)，改變了原有控制結(jié)構(gòu)僅對從機械手運動穩(wěn)定性檢測的缺點，

8、實行了對主從異構(gòu)機械手遙操作過程中主從機械手的運動狀態(tài)及控制過程中不確定因素的檢測，改善了機器人遠程操作系統(tǒng)受時變網(wǎng)絡(luò)延時的影響。此外，本研究工作中采用膜模型和彎曲梁模型對彎曲氣動肌肉彎曲變形與輸出力矩關(guān)系進行了建模，設(shè)計開發(fā)了基于彎曲氣動肌肉的單自由度力反饋手肘關(guān)節(jié)外骨骼，在實驗中成功實現(xiàn)了對0.5Hz力信號的跟隨，穩(wěn)態(tài)誤差控制小于1.5％。 下肢運動康復(fù)訓練外骨骼是柔性外骨骼人機智能系統(tǒng)向非制造業(yè)、服務(wù)業(yè)，尤其是醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用

9、的重要拓展。根據(jù)下肢外骨骼的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，從工程角度對下肢運動康復(fù)外骨骼系統(tǒng)軟、硬件予以實現(xiàn)。在開創(chuàng)性地引入5桿運動學動力學模型的基礎(chǔ)上，分別對被動控制策略和半主動控制策略予以研究。康復(fù)患者訓練數(shù)據(jù)庫改變了卒中及癱瘓患者原有的定性非定量的訓練模式，實現(xiàn)了患者的數(shù)字化康復(fù)訓練。本研究中所研制的原型樣機可根據(jù)患者病情帶動患者進行15分鐘以上的連續(xù)訓練，并可以在0km/h～2km/h范圍內(nèi)調(diào)節(jié)訓練步速，減輕了傳統(tǒng)康復(fù)訓練模式中理療師的工作負擔

10、。在系統(tǒng)功能測試及正常人實驗研究中，正常工作率達到近95％，充分證實了系統(tǒng)的安全性和可靠性，以及控制策略的可行性。最終的卒中及癱瘓患者實驗結(jié)果成功地表明系統(tǒng)在決策層、感知層和執(zhí)行層實現(xiàn)患者(人)與下肢外骨骼作為一個整體的協(xié)調(diào)運動，充分說明了本論文所提出的柔性外骨骼仿生設(shè)計機理以及人機交互控制理論的準確性。 本研究工作的成果對于我們今后更為深入的理論研究和開發(fā)實踐具有承上啟下的作用，所提出的關(guān)鍵技術(shù)及其解決方法具有很好的借鑒和參考