下肢外骨骼的動力學分析與運動規(guī)劃.pdf

1、外骨骼是一種能夠增強人體力量與耐力的機械裝置，并聯(lián)穿戴于人體外側，通過陀螺儀、關節(jié)電位器或編碼器、人機交互力及足底力傳感系統(tǒng)等實時檢測外骨骼本身的位姿與人體的運動意圖，通過電機、液壓等方式驅(qū)動各關節(jié)，實現(xiàn)與人體的協(xié)調(diào)運動，并在這個過程對人體的運動進行助力，達成增強人體力量或輔助人體運動的目標。人體負責發(fā)出運動意圖并保持運動穩(wěn)定，外骨骼則根據(jù)人體的運動意圖做出與人體協(xié)調(diào)的動作并承擔負載，通過這種方式將人體的“智力”與外骨骼的“體力”結合到

2、一起。
　　目前，外骨骼具有諸多的應用方向，例如:在助老助殘領域，可以幫助老年人或殘疾人完成行走、上/下樓梯等日常行動，提高他們的生活質(zhì)量;在醫(yī)療領域，可以輔助醫(yī)護人員對腦卒中或者肢體傷病患者進行更高精度、更高可重復性的康復訓練，一方面可以極大減輕醫(yī)護人員的工作強度，另一方面可以根據(jù)患者的恢復情況及時調(diào)整外骨骼的控制策略以適應不同的訓練模式;在負重搬運與單兵系統(tǒng)領域，可以幫助工作人員或者士兵背負或攜帶更多的通信設備、施工器材或者武

3、器彈藥等進行快速的行進，同時降低因為巨大的體能消耗造成的人員受傷或者非戰(zhàn)斗減員等人力資源損失。
　　本文的研究目標即為士兵或救援人員等負重作業(yè)者設計一種能夠配合使用者完成行走、蹲下/站起、上/下樓梯等常見運動的下肢外骨骼系統(tǒng)。要求方便穿卸，盡量減少傳感器的數(shù)量以降低系統(tǒng)復雜性，不得在人體上布置或粘貼傳感器，對使用者的體型不敏感。為實現(xiàn)該目標，本文在如下5個方面進行了研究:
　　1.進行了基于人體測量學的人體下肢運動學特性的研

4、究。在課題組自行搭建的基于標記點空間位置捕捉與三維坐標重建的圖像采集測量系統(tǒng)上進行了不同步速、不同負重的行走;上樓梯;蹲下、站起等步態(tài)測量實驗，通過實驗數(shù)據(jù)總結了人體下肢各關節(jié)在上述各步態(tài)下的運動學特性。
　　2.在人體下肢運動學分析的基礎上，對滿足各常見運動要求的下肢外骨骼各關節(jié)所具有的自由度進行了分析，并進行了下肢外骨骼的本體機構（不含驅(qū)動系統(tǒng)）設計。建立了所設計的下肢外骨髂本體機構的D-H運動學模型，通過運動學分析確定了外骨

5、骼與人體的連接方式。
　　3.通過對比典型外骨骼動力學建模方法，提出了下肢外骨骼“二狀態(tài)”動力學模型，即將下肢外骨骼的動力學狀態(tài)分為“無擺動腿”與“有擺動腿”兩種，采用達朗伯-拉格朗日方程對這兩種狀態(tài)分別進行建模。通過該模型，控制系統(tǒng)僅需檢測外骨骼各關節(jié)角度信號即可求得各部分的慣性力、系統(tǒng)的足底力以及ZMP等信息，有效地減少了所需的傳感器數(shù)量。此外，模型中消除了本不存在的支撐足足尖主動驅(qū)動自由度的影響，并通過MATLAB與Adam

6、s對比驗證了模型正確性。利用該模型完成了不同負重、不同步速;上樓梯;蹲下、站起等常見運動的下肢外骨骼動力學分析。
　　4.根據(jù)下肢外骨骼動力學計算結果，對滿足常見運動要求的下肢外骨骼各關節(jié)的驅(qū)動特性進行了分析，在此基礎上，模仿人體下肢肌肉骨骼系統(tǒng)為下肢外骨髂各關節(jié)的各主動驅(qū)動自由度配置了集成液壓-套索驅(qū)動系統(tǒng)，并進行了優(yōu)化計算。為各關節(jié)的非主動驅(qū)動自由度配置了彈簧被動驅(qū)動系統(tǒng)，并進行了詳細的設計計算。最后，對裝配了驅(qū)動系統(tǒng)的下肢外

7、骨骼機構進行了關鍵部位的ANSYS受力校核，以保證結構安全性。
　　5.在對國內(nèi)外典型外骨骼控制方法的分析基礎上，針對擺動腿提出了基于踝關節(jié)處人機位姿誤差的逆運動學運動規(guī)劃與基于動力學模型的PD控制策略，針對支撐腿提出了基于穿戴者足底力CoP與外骨骼ZMP之間誤差的模糊運動規(guī)劃策略?？刂葡到y(tǒng)通過足底力信號采用模糊算法識別每條腿的運動狀態(tài)，并采用相應的控制方法。對下肢外骨骼的傳感器系統(tǒng)進行了設計與標定，包括軀干姿態(tài)傳感器、關節(jié)電位器