助力型人體下肢外骨骼理論分析與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、助力型人體下肢外骨骼系統(tǒng)是一種穿戴于人體的助力裝置，目前主要應(yīng)用對(duì)象是需要提高負(fù)重能力的士兵。其目的在于使幾十公斤的負(fù)荷給人的感覺(jué)好像幾公斤，從而提升士兵的物資攜行能力及運(yùn)動(dòng)機(jī)動(dòng)能力，從而提高士兵的作戰(zhàn)能力及抗震救災(zāi)能力。歐美一些國(guó)家在這方面的研究起步很早，技術(shù)也越來(lái)越成熟，樣機(jī)也逐漸接近于實(shí)戰(zhàn)要求。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)助力型人體下肢外骨骼的研究離實(shí)際應(yīng)用還有較大差距，對(duì)外骨骼的認(rèn)識(shí)還不是很深入。本文對(duì)助力型人體下肢外骨骼進(jìn)行了機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)、運(yùn)

2、動(dòng)學(xué)動(dòng)力學(xué)仿真分析、結(jié)構(gòu)助力能力分析、控制方案設(shè)計(jì)及驗(yàn)證、控制器智能算法優(yōu)化及實(shí)驗(yàn)樣機(jī)研制與實(shí)驗(yàn)分析等工作。全文主要工作及內(nèi)容如下:
　　1.完成了電機(jī)直驅(qū)型及液壓、電動(dòng)推桿驅(qū)動(dòng)型旋轉(zhuǎn)膝關(guān)節(jié)外骨骼結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)。提出并設(shè)計(jì)了一種新穎的平動(dòng)膝關(guān)節(jié)人體異構(gòu)型外骨骼結(jié)構(gòu)方案，此方案將外骨骼膝關(guān)節(jié)直接使用液壓缸或電動(dòng)推桿設(shè)計(jì)成平動(dòng)副，其機(jī)械結(jié)構(gòu)相對(duì)于旋轉(zhuǎn)膝關(guān)節(jié)外骨骼更加簡(jiǎn)單緊湊。
　　2.通過(guò)對(duì)人體運(yùn)動(dòng)捕捉獲得的運(yùn)動(dòng)步態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，

3、獲得了適用于所建外骨骼仿真模型的步態(tài)數(shù)據(jù)，進(jìn)而結(jié)合此步態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行了外骨骼Adams多體動(dòng)力學(xué)建模與仿真。通過(guò)對(duì)外骨骼背負(fù)不同負(fù)載時(shí)的外骨骼關(guān)節(jié)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比仿真分析，發(fā)現(xiàn)最大轉(zhuǎn)矩及最大功率（瞬間參數(shù)）不能有效體現(xiàn)出外骨骼的助力效果。通過(guò)仿真獲取了外骨骼的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)及液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)。通過(guò)對(duì)外骨骼關(guān)節(jié)彈性元件、阻尼元件的添加方法進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)添加彈性元件能夠減小外骨骼關(guān)節(jié)需求的最大轉(zhuǎn)矩絕對(duì)值;阻尼元件能夠改善關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)特性，但會(huì)產(chǎn)生額外

4、的能量消耗。通過(guò)對(duì)外骨骼的ZMP（零點(diǎn)轉(zhuǎn)矩）進(jìn)行仿真分析研究，發(fā)現(xiàn)基于ZMP穩(wěn)定性判據(jù)的控制策略不能有效跟蹤人體運(yùn)動(dòng)。
　　3.建立了人機(jī)協(xié)同行走Adams-Simulink聯(lián)合仿真模型、人體直接背負(fù)負(fù)載行走仿真模型及人體無(wú)負(fù)載獨(dú)立行走仿真模型。通過(guò)不同模型的對(duì)比仿真，分析了常見旋轉(zhuǎn)膝關(guān)節(jié)外骨骼的助力效果。仿真發(fā)現(xiàn)，穿戴外骨骼不能有效減小人體驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩范圍大小，但能使背負(fù)負(fù)載時(shí)人體額外需求的動(dòng)量矩消耗及能量消耗降低。說(shuō)明外骨骼的助力

5、效果體現(xiàn)在動(dòng)量矩及能量這些針對(duì)整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程的衡量參數(shù)方面，而非最大驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩及最大功率這種瞬間參數(shù)。此外，對(duì)平動(dòng)膝關(guān)節(jié)人體下肢外骨骼結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了助力效果仿真分析，證明了所設(shè)計(jì)平動(dòng)膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)在使外骨骼結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單緊湊的同時(shí)，能夠達(dá)到負(fù)重行走時(shí)減輕人體負(fù)擔(dān)的目的。
　　4.提出了將人體看作外骨骼工作環(huán)境的基于電機(jī)電流環(huán)的交互力放大控制方案。建立了結(jié)合外骨骼機(jī)械系統(tǒng)、電機(jī)系統(tǒng)、人機(jī)交互系統(tǒng)及控制系統(tǒng)的人機(jī)電一體化數(shù)學(xué)模型，在數(shù)學(xué)模型的基

6、礎(chǔ)上構(gòu)建了對(duì)應(yīng)的Simulink仿真模型。通過(guò)人機(jī)電一體化仿真，驗(yàn)證了此交互力控制方案能夠大大降低搬運(yùn)重物運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的人機(jī)交互作用力，能夠獲得較好的人機(jī)協(xié)調(diào)性。
　　5.通過(guò)遺傳算法、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、模糊算法對(duì)所設(shè)計(jì)的基于電機(jī)電流環(huán)的交互力放大控制方案中所采用PID控制器的參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，并仿真分析了不同優(yōu)化算法的控制效果。仿真結(jié)果顯示，三種智能優(yōu)化算法自適應(yīng)控制器都能取得一定的優(yōu)化效果，而所設(shè)計(jì)的模糊算法自適應(yīng)控制器控制效果最