可穿戴型并聯(lián)式髖關(guān)節(jié)助力機(jī)器人研究.pdf

1、助力機(jī)器人是目前機(jī)器人領(lǐng)域研究和發(fā)展的一個(gè)重要課題，而可穿戴型助力機(jī)器人又是使助力機(jī)器人走向室外更廣闊空間的必要手段之一?？纱┐餍椭C(jī)器人通過(guò)把助力機(jī)構(gòu)穿戴在使用者身上，進(jìn)而可以輔助使用者，如具有行動(dòng)困難的老年人或殘障人士，可以幫助他們克服困難，實(shí)現(xiàn)正常人的日常行動(dòng)。因此，可穿戴型助力機(jī)器人受到領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者的重視。隨著現(xiàn)代機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，可穿戴型助力機(jī)器人面臨巨大的發(fā)展挑戰(zhàn)與機(jī)遇?？纱┐髦C(jī)器人的研究囊括了從膝關(guān)節(jié)助力、髖關(guān)節(jié)助力

2、，到人體下肢助力、上肢助力，從特定動(dòng)作如上下樓梯、行走到廣泛動(dòng)作的助力。
　　 本論文面向人體髖關(guān)節(jié)助力，從各個(gè)方面討論了髖關(guān)節(jié)助力機(jī)器人的研究現(xiàn)狀和應(yīng)用需求。以國(guó)家“十一五”863服務(wù)機(jī)器人重點(diǎn)項(xiàng)目“可穿戴型助殘助老智能機(jī)器人示范平臺(tái)”為基礎(chǔ)，旨在進(jìn)一步深入研究認(rèn)識(shí)、理解人體助力的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)和研制出針對(duì)人體特定部位髖關(guān)節(jié)的助力機(jī)器人，達(dá)到人體髖關(guān)節(jié)3自由度助力和減輕髖關(guān)節(jié)負(fù)擔(dān)的目的。本論文的主要研究工作概括如下:
　　

3、 基于人體髖關(guān)節(jié)的解剖結(jié)構(gòu)特征，從機(jī)器人學(xué)、人體工程學(xué)、仿生學(xué)的角度，設(shè)計(jì)和研制了一套新型的髖關(guān)節(jié)3自由度助力機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)不同于其他髖關(guān)節(jié)助力機(jī)構(gòu)，它是一個(gè)6自由度3UPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)，能夠和人體大腿共同完成3自由度的運(yùn)動(dòng)。另外為了滿足建立人體大腿和助力機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的要求，采用了計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)來(lái)檢測(cè)人體髖關(guān)節(jié)的位置信息;
　　 結(jié)合串聯(lián)機(jī)構(gòu)學(xué)，構(gòu)建了人體大腿和UPS支鏈的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，并且構(gòu)建了助力機(jī)構(gòu)的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)雅克比。針對(duì)并聯(lián)

4、機(jī)構(gòu)比較難建立正雅克比的問(wèn)題，我們從并聯(lián)機(jī)構(gòu)的幾何約束方程出發(fā)，通過(guò)微分法得到了被動(dòng)關(guān)節(jié)和主動(dòng)關(guān)節(jié)之間的速度關(guān)系，在此基礎(chǔ)上提出了新的并聯(lián)機(jī)構(gòu)正運(yùn)動(dòng)學(xué)雅克比構(gòu)建方法;
　　 在機(jī)構(gòu)特性方面，無(wú)論是串聯(lián)機(jī)構(gòu)，還是并聯(lián)機(jī)構(gòu)，都存在機(jī)構(gòu)奇異的問(wèn)題。目前的機(jī)構(gòu)奇異空間求解往往是通過(guò)掃描的方法實(shí)現(xiàn)的，求解效率比較低。本文結(jié)合隨機(jī)逼近的思想，利用機(jī)構(gòu)雅克比本身具有的特性，提出了一種新的機(jī)構(gòu)奇異值快速查找算法;
　　 助力機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)

5、劣直接影響到助力機(jī)構(gòu)的最終助力結(jié)果，但是目前仍然沒(méi)有有效的方法可以在助力機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化階段評(píng)價(jià)其助力性能。針對(duì)該問(wèn)題，我們從助力機(jī)構(gòu)的本質(zhì)物理意義出發(fā)，從運(yùn)動(dòng)學(xué)的角度，通過(guò)比較人體模型的可操作性橢球和從動(dòng)助力機(jī)構(gòu)的可操作性橢球，可以評(píng)價(jià)助力機(jī)構(gòu)的助力可行性和助力效果。該方法有助于提高可穿戴型助力機(jī)器人的設(shè)計(jì)效率，加強(qiáng)其助力性能;
　　 助力機(jī)構(gòu)的控制直接影響到助力機(jī)構(gòu)的助力性能。結(jié)合助力機(jī)構(gòu)與人體之間的力傳感器提供的人機(jī)交互信息