可穿戴型助力機(jī)器人技術(shù)研究.pdf

1、可穿戴型步行助力機(jī)器人技術(shù)研究是近年來(lái)比較嶄新的一個(gè)研究領(lǐng)域，屬于特種機(jī)器人的范疇，其涉及機(jī)器人學(xué)、人體工程學(xué)、控制理論、傳感器技術(shù)、信息處理技術(shù)等?？纱┐餍筒叫兄C(jī)器人可幫助人們擴(kuò)展其下肢部位的運(yùn)動(dòng)能力，可在幫助老人、殘疾人提高自主生活能力，增加救災(zāi)、防暴人員運(yùn)動(dòng)能力等方面發(fā)揮重要作用。助力機(jī)器人包括可穿戴在人體上各部位的機(jī)械裝置、動(dòng)力裝置和控制裝置以及檢測(cè)人體運(yùn)動(dòng)信息的多種傳感器，它們組成一個(gè)可提高人體相應(yīng)部位運(yùn)動(dòng)功能與負(fù)荷能力的

2、輔助機(jī)器人系統(tǒng)以及一個(gè)類(lèi)似人類(lèi)神經(jīng)系統(tǒng)的局域網(wǎng)，是典型的人機(jī)一體化系統(tǒng)。 在國(guó)家自然科學(xué)基金的資助下，本文以多關(guān)節(jié)機(jī)械操作臂為基礎(chǔ)，結(jié)合人體運(yùn)動(dòng)意圖判斷、接觸力傳感器和假想柔順控制，研究了可穿戴型步行助力機(jī)器人系統(tǒng)。內(nèi)容包括：系統(tǒng)分析和計(jì)算了外骨骼裝置的基本特性；成功研制出助力裝置的原形樣機(jī)，包括外骨骼機(jī)械裝置、人．機(jī)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析、接觸力傳感器；采用基于接觸力多傳感器信息融合理論，進(jìn)行人體運(yùn)動(dòng)意圖的判別；提出了假想柔順

3、控制方法，通過(guò)調(diào)節(jié)各測(cè)力點(diǎn)處的假想質(zhì)量、假想彈性系數(shù)和假想阻尼系數(shù)來(lái)改變使用者步行時(shí)感受到的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度。 全文貫穿了理論分析和技術(shù)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)基本問(wèn)題，涉及多個(gè)研究領(lǐng)域，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： 1．步行助力機(jī)器人以不妨礙人的基本行走功能為前提，結(jié)合人體工程學(xué)、人體解剖學(xué)和機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)等，設(shè)計(jì)出一款單側(cè)具有6自由度的步行助力裝置，其中，髖關(guān)節(jié)擁有3個(gè)自由度，分別完成屈/伸、外展/內(nèi)收和旋內(nèi)/旋外的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)人在步行運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的

4、直線(xiàn)行走、調(diào)節(jié)平衡和改變方向的功能，膝關(guān)節(jié)僅具有完成屈/伸運(yùn)動(dòng)的自由度，它與髖關(guān)節(jié)的屈/伸運(yùn)動(dòng)共同完成了人體直線(xiàn)行走運(yùn)動(dòng)功能。此外，通過(guò)對(duì)人體在行走過(guò)程中關(guān)節(jié)活動(dòng)的能量消耗及機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性分析，僅髖關(guān)節(jié)的屈/伸運(yùn)動(dòng)及膝關(guān)節(jié)的屈/伸運(yùn)動(dòng)采用外部驅(qū)動(dòng)模式。步行助力機(jī)器人以使用者形體為設(shè)計(jì)參考對(duì)象，如大、小腿長(zhǎng)度、腰圍和關(guān)節(jié)活動(dòng)自由度等。為了避免步行助力機(jī)器人與使用者在共同行走過(guò)程中出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)干涉等問(wèn)題，步行助力機(jī)器人各連桿長(zhǎng)度可在一定范

5、圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，金屬腰帶也依據(jù)使用者腰圍進(jìn)行調(diào)整，它們組成了一個(gè)開(kāi)放的機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。通過(guò)助力機(jī)器人系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)公式及動(dòng)力學(xué)方程，并結(jié)合運(yùn)動(dòng)仿真軟件進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化，同時(shí)，也為外部驅(qū)動(dòng)源的選型提供了參考。 2．提出了基于多接觸力傳感器的人體運(yùn)動(dòng)意圖判別新思路。通過(guò)對(duì)獲取肌電和運(yùn)動(dòng)圖像等信息手段進(jìn)行人體運(yùn)動(dòng)意圖識(shí)別方法進(jìn)行了分析和評(píng)判，結(jié)合我們現(xiàn)有的研究水平與實(shí)際應(yīng)用環(huán)境，提出根據(jù)各測(cè)力點(diǎn)感受到的人體運(yùn)動(dòng)時(shí)的多維力導(dǎo)向信息來(lái)判斷下肢運(yùn)動(dòng)

6、模式的方法，通過(guò)在人．機(jī)間配置檢測(cè)人體運(yùn)動(dòng)檢測(cè)點(diǎn)，如側(cè)面多維力傳感器和腳底反力傳感器等，利用現(xiàn)代信號(hào)處理技術(shù)、數(shù)據(jù)融合技術(shù)，綜合判斷人體的運(yùn)動(dòng)意圖。這種方法將有別于現(xiàn)有可穿戴型助力機(jī)器人系統(tǒng)獲取人體運(yùn)動(dòng)意圖的方法。 3．通過(guò)理論分析和技術(shù)實(shí)現(xiàn)，研制出十二自由度和四電機(jī)驅(qū)動(dòng)的助力機(jī)器人原型樣機(jī)。通過(guò)對(duì)國(guó)外助力機(jī)器人控制方法的詳細(xì)分析研究后，根據(jù)其自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)情況，提出假想柔順控制方法，它通過(guò)調(diào)節(jié)各測(cè)力點(diǎn)的假想質(zhì)量、假想彈性系數(shù)和假