基于人體能量流動(dòng)特性的外骨骼低能耗驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)的研究.pdf

1、如今，很多前沿的穿戴式下肢骨骼服能夠滿足人體的助力行走需求，在工程領(lǐng)域體現(xiàn)出重大的應(yīng)用價(jià)值，但外骨骼機(jī)器人在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)消耗大量的能量，能源是制約外骨骼技術(shù)發(fā)展的主要因素之一，研究節(jié)能技術(shù)是提高外骨骼機(jī)器人續(xù)航能力的重要途徑。
　　在生物學(xué)研究領(lǐng)域發(fā)現(xiàn)，人體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，各關(guān)節(jié)的能耗不是一成不變的，而是具有流動(dòng)特性，基于此，本文從研究人體運(yùn)動(dòng)過(guò)程入手，揭示肢體間能量流動(dòng)的規(guī)律，進(jìn)而獲悉各關(guān)節(jié)在此過(guò)程中所表現(xiàn)出的特性，以此建立人體關(guān)

2、節(jié)能量流動(dòng)模型，從而指導(dǎo)外骨骼關(guān)節(jié)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和驅(qū)動(dòng)方法，提高外骨骼的能量利用效率，為提升外骨骼續(xù)航能力的研究奠定基礎(chǔ)。
　　首先，分析了人體關(guān)節(jié)的幾何參數(shù)，建立人體五桿模型的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)方程，利用運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)及捷聯(lián)慣導(dǎo)采集人體運(yùn)動(dòng)信息，求解不同運(yùn)動(dòng)速度下各關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)力矩及功率，并通過(guò)三維力臺(tái)系統(tǒng)的對(duì)比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了求解結(jié)果的正確性?；诖?，建立了人體各桿件及關(guān)節(jié)的能量流動(dòng)方程，得到人體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中能量的流動(dòng)特性。
　　然后，基于

3、上述能量流動(dòng)特性，分析得到運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)的力學(xué)特性，結(jié)合主-被動(dòng)力并聯(lián)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)的約束方程，建立了系統(tǒng)能耗模型。接著以膝關(guān)節(jié)為研究對(duì)象，基于系統(tǒng)能耗模型建立其能耗優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)及約束條件，應(yīng)用結(jié)合卡爾曼濾波的改進(jìn)遺傳算法，對(duì)膝關(guān)節(jié)負(fù)荷分配進(jìn)行了研究，建立了以能耗最優(yōu)為目的的關(guān)節(jié)力矩解耦算法。
　　最后，搭建了直線電機(jī)對(duì)頂平臺(tái)，進(jìn)行了節(jié)能效果對(duì)比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了關(guān)節(jié)力矩解耦算法對(duì)于能耗優(yōu)化的可用性。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行了外骨骼服助力奔跑實(shí)驗(yàn)，