下肢外骨骼的動(dòng)力學(xué)分析與運(yùn)動(dòng)規(guī)劃.pdf

1、外骨骼是一種能夠增強(qiáng)人體力量與耐力的機(jī)械裝置，并聯(lián)穿戴于人體外側(cè)，通過(guò)陀螺儀、關(guān)節(jié)電位器或編碼器、人機(jī)交互力及足底力傳感系統(tǒng)等實(shí)時(shí)檢測(cè)外骨骼本身的位姿與人體的運(yùn)動(dòng)意圖，通過(guò)電機(jī)、液壓等方式驅(qū)動(dòng)各關(guān)節(jié)，實(shí)現(xiàn)與人體的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，并在這個(gè)過(guò)程對(duì)人體的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行助力，達(dá)成增強(qiáng)人體力量或輔助人體運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)。人體負(fù)責(zé)發(fā)出運(yùn)動(dòng)意圖并保持運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定，外骨骼則根據(jù)人體的運(yùn)動(dòng)意圖做出與人體協(xié)調(diào)的動(dòng)作并承擔(dān)負(fù)載，通過(guò)這種方式將人體的“智力”與外骨骼的“體力”結(jié)合到

2、一起。
　　目前，外骨骼具有諸多的應(yīng)用方向，例如:在助老助殘領(lǐng)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(dòng)，提高他們的生活質(zhì)量;在醫(yī)療領(lǐng)域，可以輔助醫(yī)護(hù)人員對(duì)腦卒中或者肢體傷病患者進(jìn)行更高精度、更高可重復(fù)性的康復(fù)訓(xùn)練，一方面可以極大減輕醫(yī)護(hù)人員的工作強(qiáng)度，另一方面可以根據(jù)患者的恢復(fù)情況及時(shí)調(diào)整外骨骼的控制策略以適應(yīng)不同的訓(xùn)練模式;在負(fù)重搬運(yùn)與單兵系統(tǒng)領(lǐng)域，可以幫助工作人員或者士兵背負(fù)或攜帶更多的通信設(shè)備、施工器材或者武

3、器彈藥等進(jìn)行快速的行進(jìn)，同時(shí)降低因?yàn)榫薮蟮捏w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(biāo)即為士兵或救援人員等負(fù)重作業(yè)者設(shè)計(jì)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(yùn)動(dòng)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(fù)雜性，不得在人體上布置或粘貼傳感器，對(duì)使用者的體型不敏感。為實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)，本文在如下5個(gè)方面進(jìn)行了研究:
　　1.進(jìn)行了基于人體測(cè)量學(xué)的人體下肢運(yùn)動(dòng)學(xué)特性的研

4、究。在課題組自行搭建的基于標(biāo)記點(diǎn)空間位置捕捉與三維坐標(biāo)重建的圖像采集測(cè)量系統(tǒng)上進(jìn)行了不同步速、不同負(fù)重的行走;上樓梯;蹲下、站起等步態(tài)測(cè)量實(shí)驗(yàn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)總結(jié)了人體下肢各關(guān)節(jié)在上述各步態(tài)下的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性。
　　2.在人體下肢運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的基礎(chǔ)上，對(duì)滿足各常見運(yùn)動(dòng)要求的下肢外骨骼各關(guān)節(jié)所具有的自由度進(jìn)行了分析，并進(jìn)行了下肢外骨骼的本體機(jī)構(gòu)（不含驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)）設(shè)計(jì)。建立了所設(shè)計(jì)的下肢外骨髂本體機(jī)構(gòu)的D-H運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析確定了外骨

5、骼與人體的連接方式。
　　3.通過(guò)對(duì)比典型外骨骼動(dòng)力學(xué)建模方法，提出了下肢外骨骼“二狀態(tài)”動(dòng)力學(xué)模型，即將下肢外骨骼的動(dòng)力學(xué)狀態(tài)分為“無(wú)擺動(dòng)腿”與“有擺動(dòng)腿”兩種，采用達(dá)朗伯-拉格朗日方程對(duì)這兩種狀態(tài)分別進(jìn)行建模。通過(guò)該模型，控制系統(tǒng)僅需檢測(cè)外骨骼各關(guān)節(jié)角度信號(hào)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(dòng)驅(qū)動(dòng)自由度的影響，并通過(guò)MATLAB與Adam

6、s對(duì)比驗(yàn)證了模型正確性。利用該模型完成了不同負(fù)重、不同步速;上樓梯;蹲下、站起等常見運(yùn)動(dòng)的下肢外骨骼動(dòng)力學(xué)分析。
　　4.根據(jù)下肢外骨骼動(dòng)力學(xué)計(jì)算結(jié)果，對(duì)滿足常見運(yùn)動(dòng)要求的下肢外骨骼各關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)特性進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上，模仿人體下肢肌肉骨骼系統(tǒng)為下肢外骨髂各關(guān)節(jié)的各主動(dòng)驅(qū)動(dòng)自由度配置了集成液壓-套索驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，并進(jìn)行了優(yōu)化計(jì)算。為各關(guān)節(jié)的非主動(dòng)驅(qū)動(dòng)自由度配置了彈簧被動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，并進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)計(jì)算。最后，對(duì)裝配了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的下肢外

7、骨骼機(jī)構(gòu)進(jìn)行了關(guān)鍵部位的ANSYS受力校核，以保證結(jié)構(gòu)安全性。
　　5.在對(duì)國(guó)內(nèi)外典型外骨骼控制方法的分析基礎(chǔ)上，針對(duì)擺動(dòng)腿提出了基于踝關(guān)節(jié)處人機(jī)位姿誤差的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與基于動(dòng)力學(xué)模型的PD控制策略，針對(duì)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(yùn)動(dòng)規(guī)劃策略。控制系統(tǒng)通過(guò)足底力信號(hào)采用模糊算法識(shí)別每條腿的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并采用相應(yīng)的控制方法。對(duì)下肢外骨骼的傳感器系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與標(biāo)定，包括軀干姿態(tài)傳感器、關(guān)節(jié)電位器