液壓驅(qū)動下肢外骨骼機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、助力型下肢外骨骼機(jī)器人是一類可以被人穿戴，提高穿戴者行走耐久性、行走速度、負(fù)重能力等體能的智能裝備。助力型下肢外骨骼機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)行走、跑、跳等多樣化的運(yùn)動形式，可在戰(zhàn)場、搶險救災(zāi)、野外施工作業(yè)等缺少電力、燃料等能源供應(yīng)和道路交通的野外工作環(huán)境發(fā)揮重要作用。因此助力型下肢外骨骼機(jī)器人相關(guān)研究是國際學(xué)術(shù)前沿，其難點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)樣機(jī)的高承載能力、高功率密度、長工作時間等特性。本學(xué)位論文針對液壓驅(qū)動助力型下肢外骨骼機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)開展研究，選題具有

2、很強(qiáng)的工程應(yīng)用背景和重要的學(xué)術(shù)研究價值。
　　本課題開展中做出了以下創(chuàng)新性研究:
　　1.研制了高功率密度長運(yùn)行時間的外骨骼機(jī)器人動力系統(tǒng)。當(dāng)前外骨骼機(jī)器人的動力系統(tǒng)多采用鋰電池供應(yīng)能源，然而鋰電池能量密度有限，難以保證機(jī)器人大功率、長時間工作。為解決這一難題，本學(xué)位論文研制了外骨骼機(jī)器人發(fā)動機(jī)動力系統(tǒng)樣機(jī)，該樣機(jī)重約20kg，最大可向機(jī)器人提供1.5kW液壓能源與160W直流電力，在攜帶5kg燃料時該樣機(jī)可以維持1.2kW

3、總功率持續(xù)運(yùn)行4.5小時，滿足上述功率及容量的條件下該方案整機(jī)（含燃料）重量僅占蓄電池-電機(jī)方案中鋰電池重量(39kg)的64％。
　　2.提出了一種圖形化多目標(biāo)優(yōu)化方法。在動力系統(tǒng)研發(fā)中提出了彈簧增壓油箱實(shí)現(xiàn)機(jī)器人液壓系統(tǒng)閉式回路，避免了空氣吸入、大氣中顆粒污染物混入及液壓泵氣蝕。彈簧增壓油箱的設(shè)計存在重量、空間體積、增壓壓力等6項優(yōu)化指標(biāo)?，F(xiàn)有的多目標(biāo)優(yōu)化方法均依靠偏好模型來權(quán)衡各項性能指標(biāo);而彈簧增壓油箱的優(yōu)化問題由于優(yōu)化目

4、標(biāo)多、優(yōu)化目標(biāo)之間無法比較等因素難以建立偏好模型。本文提出了一種多目標(biāo)優(yōu)化方法，采用圖形化界面展示優(yōu)化結(jié)果，具有流程清晰、數(shù)據(jù)展示直觀的優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)了以數(shù)據(jù)為輸出的多數(shù)現(xiàn)有方法的不足，可以協(xié)助設(shè)計者方便快捷的獲得最終解，尤其具有求解過程不需要設(shè)計者提供偏好模型的優(yōu)點(diǎn)，因此與現(xiàn)有方法相比在實(shí)際問題中可以得到更廣泛的應(yīng)用。
　　3.開發(fā)了易于功能擴(kuò)展和改進(jìn)的控制器，提出了一種用于控制器的多任務(wù)動態(tài)調(diào)度框架。本論文提出的主板-功能模塊結(jié)構(gòu)

5、的機(jī)器人控制系統(tǒng)具有工作電壓低、功耗小的特點(diǎn)，且易于功能擴(kuò)展和改進(jìn)。針對控制系統(tǒng)工作中需要對大量任務(wù)高速調(diào)度執(zhí)行的特點(diǎn)提出了一種多任務(wù)動態(tài)調(diào)度框架，利用任務(wù)間固有的依賴關(guān)系維護(hù)活動任務(wù)表，可以使控制器在不采用實(shí)時操作系統(tǒng)的情況下完成多任務(wù)的并發(fā)執(zhí)行，避免了實(shí)時操作系統(tǒng)任務(wù)同步與調(diào)度帶來的處理器時間損耗與存儲空間損耗。
　　本文具體研究內(nèi)容如下:
　　第一章，在助力型下肢外骨骼機(jī)器人相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上對其發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié);同時

6、分析了外骨骼機(jī)器人應(yīng)用環(huán)境的特征及需求，闡明了本課題的主要研究內(nèi)容，確定了本文研究的機(jī)器人采用發(fā)動機(jī)驅(qū)動液壓作動器的總體方案;最后介紹了本課題研究難點(diǎn)。
　　第二章，外骨骼機(jī)器人下肢機(jī)構(gòu)設(shè)計研究。首先介紹了步態(tài)采集裝置及獲取的步態(tài)數(shù)據(jù);進(jìn)而論述下肢機(jī)構(gòu)的需求以及綜合考慮了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、承載能力、對穿戴者的適當(dāng)保護(hù)措施等因素的設(shè)計實(shí)現(xiàn)。主動關(guān)節(jié)采用液壓伺服閥驅(qū)動非對稱缸，以獲取足夠的下肢關(guān)節(jié)驅(qū)動力。在下肢機(jī)構(gòu)研發(fā)的基礎(chǔ)上分析了其運(yùn)動學(xué)模

7、型與靜力學(xué)模型。
　　第三章，外骨骼機(jī)器人動力系統(tǒng)設(shè)計研究。本章通過對比基于發(fā)動機(jī)-燃料方案與基于電池方案展示了前者在功率質(zhì)量比上的優(yōu)勢。介紹了動力系統(tǒng)原動機(jī)模塊、液壓回路及發(fā)電模塊等子系統(tǒng)的研發(fā)實(shí)現(xiàn)及工作特性。提出了基于圖形界面的多目標(biāo)優(yōu)化方法，并采用此方法完成了增壓油箱的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計，從而實(shí)現(xiàn)動力系統(tǒng)閉式液壓回路。建立了動力系統(tǒng)發(fā)動機(jī)功率控制模型以及液壓回路負(fù)載流量觀測模型。
　　第四章，控制系統(tǒng)硬件及程序設(shè)計研究。硬

8、件上采用主板/功能模塊結(jié)構(gòu)方案，研制了數(shù)據(jù)采集、作動器驅(qū)動的多個模塊，對數(shù)據(jù)采集模塊采樣精度做出詳細(xì)分析，結(jié)果表明采樣精度滿足外骨骼機(jī)器人系統(tǒng)需求。在控制系統(tǒng)程序方面分析了其構(gòu)成與運(yùn)行方式，提出了多任務(wù)動態(tài)調(diào)度策略實(shí)現(xiàn)多任務(wù)高效并發(fā)執(zhí)行。
　　第五章，外骨骼機(jī)器人物理樣機(jī)試驗(yàn)研究。試驗(yàn)研究從動力系統(tǒng)特性、下肢空載運(yùn)動特性、整機(jī)承載特性等多個方面驗(yàn)證動力系統(tǒng)的輸出能力及運(yùn)行特性、下肢機(jī)械關(guān)節(jié)的運(yùn)動性能，并對前文提出的模型進(jìn)行驗(yàn)證。<