基于柔性外骨骼人機(jī)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(jī)智能系統(tǒng)已成為機(jī)器人技術(shù)、機(jī)電工程、自動(dòng)控制、生物工程以及人工智能等學(xué)科領(lǐng)域中一個(gè)新的研究熱點(diǎn)，并在科研、工業(yè)生產(chǎn)、太空或深海探索、娛樂、運(yùn)動(dòng)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(jī)智能技術(shù)以人機(jī)一體化技術(shù)為核心，充分發(fā)揮人和智能機(jī)器各自的優(yōu)勢(shì)，通過在感知、決策以及執(zhí)行層面上有機(jī)的人機(jī)耦合，增強(qiáng)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(jī)智能系統(tǒng)的兩個(gè)重要研究方向。近幾年來國(guó)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(jī)智能系統(tǒng)具有極大的基礎(chǔ)科學(xué)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(diǎn)，因此，在柔性外骨骼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中必須遵循擬人化，不僅在運(yùn)動(dòng)形式上需要保持一致，而且在運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)學(xué)模型。在此模型基礎(chǔ)上，分析人體上肢神經(jīng)肌肉運(yùn)動(dòng)及感知機(jī)理，并建立人體上肢神經(jīng)肌肉及各關(guān)節(jié)

3、的運(yùn)動(dòng)模型，選用3RPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)肩關(guān)節(jié)3自由度運(yùn)動(dòng)，可充分保證6自由度上肢柔性外骨骼機(jī)械手可柔順地跟隨操作者的上肢運(yùn)動(dòng)。根據(jù)人體下肢運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)自由度分布及運(yùn)動(dòng)機(jī)理，設(shè)計(jì)了由直流伺服電機(jī)與滾珠絲杠構(gòu)成關(guān)節(jié)直線驅(qū)動(dòng)器來模擬關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)骨骼肌的4自由度下肢外骨骼系統(tǒng)。并通過對(duì)人體下肢行走步態(tài)進(jìn)行分析，提出下肢外骨骼系統(tǒng)人機(jī)5桿運(yùn)動(dòng)學(xué)動(dòng)力學(xué)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(yùn)動(dòng)的區(qū)域。同時(shí)可以通過采用小質(zhì)量/慣量運(yùn)動(dòng)零件、柔性關(guān)節(jié)、安全限位等安全設(shè)計(jì)方法，減少意外碰撞過程中外骨骼對(duì)人的沖擊力，通過對(duì)意外碰撞過程中外骨骼對(duì)人的沖擊力與人的安全臨界沖擊力之間比較，可以對(duì)柔性外骨骼人機(jī)智能技術(shù)的安全性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。 其次，人機(jī)交互控制是柔性外骨骼人機(jī)智能系統(tǒng)中體現(xiàn)人機(jī)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(shí)現(xiàn)感知層中人機(jī)信息感知、交互與融合，決策層人機(jī)協(xié)調(diào)控制決策以及執(zhí)行層

5、人機(jī)交互動(dòng)作。根據(jù)上肢柔性外骨骼與下肢運(yùn)動(dòng)康復(fù)外骨骼的使用目標(biāo)，分別提出了上肢柔性外骨骼力反饋控制策略以及下肢運(yùn)動(dòng)康復(fù)外骨骼被動(dòng)控制、半主動(dòng)控制以及主動(dòng)控制三種康復(fù)訓(xùn)練控制策略。根據(jù)柔性外骨骼人機(jī)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(duì)系統(tǒng)人機(jī)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(zhǔn)確性和可靠性。而根據(jù)系統(tǒng)任務(wù)的目標(biāo)與要求、機(jī)器系統(tǒng)

6、模型、人的模型以及工作負(fù)荷與匹配信息的動(dòng)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(jī)信息耦合能力，是實(shí)現(xiàn)機(jī)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(yàn)方法對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，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(yùn)動(dòng)。首次提出了對(duì)主從機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)空間以及欠運(yùn)動(dòng)自由度空間的匹配方法，改善了主從異構(gòu)機(jī)械手在運(yùn)動(dòng)奇異點(diǎn)、關(guān)節(jié)運(yùn)

7、動(dòng)極限點(diǎn)等運(yùn)動(dòng)空間的控制性能，充分實(shí)現(xiàn)了上肢柔性外骨骼與從機(jī)械手之間的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)。在系統(tǒng)氣動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)非線性強(qiáng)、控制精度差等困難，采用微型氣動(dòng)系統(tǒng)實(shí)時(shí)地再現(xiàn)機(jī)械手遙操作時(shí)感知力信號(hào)，控制誤差小于5％，增強(qiáng)了操作的真實(shí)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(shí)變延時(shí)對(duì)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(duì)從機(jī)械手運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性檢測(cè)的缺點(diǎn)，

8、實(shí)行了對(duì)主從異構(gòu)機(jī)械手遙操作過程中主從機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及控制過程中不確定因素的檢測(cè)，改善了機(jī)器人遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)受時(shí)變網(wǎng)絡(luò)延時(shí)的影響。此外，本研究工作中采用膜模型和彎曲梁模型對(duì)彎曲氣動(dòng)肌肉彎曲變形與輸出力矩關(guān)系進(jìn)行了建模，設(shè)計(jì)開發(fā)了基于彎曲氣動(dòng)肌肉的單自由度力反饋手肘關(guān)節(jié)外骨骼，在實(shí)驗(yàn)中成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)0.5Hz力信號(hào)的跟隨，穩(wěn)態(tài)誤差控制小于1.5％。 下肢運(yùn)動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練外骨骼是柔性外骨骼人機(jī)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(jì)方案，從工程角度對(duì)下肢運(yùn)動(dòng)康復(fù)外骨骼系統(tǒng)軟、硬件予以實(shí)現(xiàn)。在開創(chuàng)性地引入5桿運(yùn)動(dòng)學(xué)動(dòng)力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，分別對(duì)被動(dòng)控制策略和半主動(dòng)控制策略予以研究?？祻?fù)患者訓(xùn)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(xùn)練模式，實(shí)現(xiàn)了患者的數(shù)字化康復(fù)訓(xùn)練。本研究中所研制的原型樣機(jī)可根據(jù)患者病情帶動(dòng)患者進(jìn)行15分鐘以上的連續(xù)訓(xùn)練，并可以在0km/h～2km/h范圍內(nèi)調(diào)節(jié)訓(xùn)練步速，減輕了傳統(tǒng)康復(fù)訓(xùn)練模式中理療師的工作負(fù)擔(dān)

10、。在系統(tǒng)功能測(cè)試及正常人實(shí)驗(yàn)研究中，正常工作率達(dá)到近95％，充分證實(shí)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(shí)驗(yàn)結(jié)果成功地表明系統(tǒng)在決策層、感知層和執(zhí)行層實(shí)現(xiàn)患者(人)與下肢外骨骼作為一個(gè)整體的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，充分說明了本論文所提出的柔性外骨骼仿生設(shè)計(jì)機(jī)理以及人機(jī)交互控制理論的準(zhǔn)確性。 本研究工作的成果對(duì)于我們今后更為深入的理論研究和開發(fā)實(shí)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