助力型人體下肢外骨骼理論分析與實驗研究.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，目前主要應用對象是需要提高負重能力的士兵。其目的在于使幾十公斤的負荷給人的感覺好像幾公斤，從而提升士兵的物資攜行能力及運動機動能力，從而提高士兵的作戰(zhàn)能力及抗震救災能力。歐美一些國家在這方面的研究起步很早，技術也越來越成熟，樣機也逐漸接近于實戰(zhàn)要求。目前，國內(nèi)對助力型人體下肢外骨骼的研究離實際應用還有較大差距，對外骨骼的認識還不是很深入。本文對助力型人體下肢外骨骼進行了機械系統(tǒng)設計、運

2、動學動力學仿真分析、結(jié)構(gòu)助力能力分析、控制方案設計及驗證、控制器智能算法優(yōu)化及實驗樣機研制與實驗分析等工作。全文主要工作及內(nèi)容如下:
　　1.完成了電機直驅(qū)型及液壓、電動推桿驅(qū)動型旋轉(zhuǎn)膝關節(jié)外骨骼結(jié)構(gòu)方案設計。提出并設計了一種新穎的平動膝關節(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節(jié)直接使用液壓缸或電動推桿設計成平動副，其機械結(jié)構(gòu)相對于旋轉(zhuǎn)膝關節(jié)外骨骼更加簡單緊湊。
　　2.通過對人體運動捕捉獲得的運動步態(tài)數(shù)據(jù)進行處理，

3、獲得了適用于所建外骨骼仿真模型的步態(tài)數(shù)據(jù)，進而結(jié)合此步態(tài)數(shù)據(jù)進行了外骨骼Adams多體動力學建模與仿真。通過對外骨骼背負不同負載時的外骨骼關節(jié)參數(shù)進行對比仿真分析，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。通過仿真獲取了外骨骼的電機驅(qū)動系統(tǒng)參數(shù)及液壓驅(qū)動系統(tǒng)參數(shù)。通過對外骨骼關節(jié)彈性元件、阻尼元件的添加方法進行分析，發(fā)現(xiàn)添加彈性元件能夠減小外骨骼關節(jié)需求的最大轉(zhuǎn)矩絕對值;阻尼元件能夠改善關節(jié)運動特性，但會產(chǎn)生額外

4、的能量消耗。通過對外骨骼的ZMP（零點轉(zhuǎn)矩）進行仿真分析研究，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動。
　　3.建立了人機協(xié)同行走Adams-Simulink聯(lián)合仿真模型、人體直接背負負載行走仿真模型及人體無負載獨立行走仿真模型。通過不同模型的對比仿真，分析了常見旋轉(zhuǎn)膝關節(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)動轉(zhuǎn)矩范圍大小，但能使背負負載時人體額外需求的動量矩消耗及能量消耗降低。說明外骨骼的助力

5、效果體現(xiàn)在動量矩及能量這些針對整個運動過程的衡量參數(shù)方面，而非最大驅(qū)動轉(zhuǎn)矩及最大功率這種瞬間參數(shù)。此外，對平動膝關節(jié)人體下肢外骨骼結(jié)構(gòu)模型進行了助力效果仿真分析，證明了所設計平動膝關節(jié)結(jié)構(gòu)在使外骨骼結(jié)構(gòu)更加簡單緊湊的同時，能夠達到負重行走時減輕人體負擔的目的。
　　4.提出了將人體看作外骨骼工作環(huán)境的基于電機電流環(huán)的交互力放大控制方案。建立了結(jié)合外骨骼機械系統(tǒng)、電機系統(tǒng)、人機交互系統(tǒng)及控制系統(tǒng)的人機電一體化數(shù)學模型，在數(shù)學模型的基

6、礎上構(gòu)建了對應的Simulink仿真模型。通過人機電一體化仿真，驗證了此交互力控制方案能夠大大降低搬運重物運動過程中的人機交互作用力，能夠獲得較好的人機協(xié)調(diào)性。
　　5.通過遺傳算法、BP神經(jīng)網(wǎng)絡算法、模糊算法對所設計的基于電機電流環(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)化算法自適應控制器都能取得一定的優(yōu)化效果，而所設計的模糊算法自適應控制器控制效果最