基于外骨骼的绿篱修剪机器人研制

摘要

当前中国的老年人口数量已位居世界首位，我国正快速步入老龄化社会。伴随着劳动力成本的飞速上升，以加工制造业为代表的传统行业一线劳动力数目呈现逐年递减的趋势，“招工难、用工难”的现象时有发生。城市绿化是城镇化发展进程的一张名片，其中绿篱苗木的修剪及造型作为城市绿化的一项经常性工作，传统单纯依靠人力的修剪方式不但效率低、劳动强度较大，并且因为手持式绿篱机的重量、噪声等问题，容易对工人的身体造成伤害。同时，年轻人普遍对绿化养护、清洁打扫类的工作存在一定偏见，不愿意从事这样的工作，工人多是一些老年人。为了解决劳动力短缺的社会问题，国家出台了“中国制造2025”等战略性新兴产业政策，智能服务机器人产业迎来了重要的发展契机。 外骨骼机器人是近年来兴起的一类服务机器人，具有可直接穿戴、使用灵活、省力等优点。它将穿戴者的智能和机器的力量融为一体，以人的运动意图为主导，机器人能快速精准地响应人体的动作，为使用者提供支撑和助力。本课题提出研发一种能大幅度减轻工人劳动强度、提高工作效率、适应性强的外骨骼绿篱修剪机器人，这不仅与国家产业技术政策相契合，也是新兴城镇化建设的迫切需求，具有良好的发展前景。 本课题首先对绿篱修剪设备和外骨骼机器人国内外的发展现状进行分析归纳，依据总结出的世界上主流研究方法和存在的共性问题，设计了研究路线和方法；其次，选取实际绿化工作中的典型修剪方式，得到机器人在对应修剪姿态中变换的运动模式，在确定了关节自由度的个数以及最大的运动范围的基础上，设计了具有8个主动驱动关节，4个被动关节，共14个自由度的机器人本体结构；第三，通过试验确定了实际绿篱修剪作业中的工作载荷，并根据试验过程的工作录像，划分了机器人工作时的不同运动模式，提取了运动中的人机交互力信号，对应人体在不同模式下的位姿状态，制定了动作划分策略；第四，通过外骨骼运动学动力学建模分析确定了机器人各关节动态过程中的位置、速度、力、力矩信息，进而确定关节所需要的驱动器的性能；最后，设计了外骨骼机器人随动控制策略，对加工组装完毕的初代样机进行调试试验，对机器人不同运动模式进行了验证。

目录

声明

1 引言

1.1 研究背景及意义

1.2 研究现状

1.2.1 绿篱修剪设备研究进展

1.2.2 国外外骨骼机器人研究进展

1.2.3 国内外骨骼机器人研究进展

1.3 研究路线及方法

1.4 主要内容安排

2 外骨骼绿篱修剪机器人结构设计

2.1 基于人体修剪动作的总体设计

2.1.1 设计原则

2.1.2 主要结构尺寸确定

2.2 机器人本体结构设计

2.2.1 基于平衡吊的上肢设计

2.2.2 基于带自锁支撑杆的下肢设计

2.3 小结

3 外骨骼机器人工作载荷及运动模式的确定

3.1 工作载荷的确定

3.1.1 绿篱的切割阻力

3.1.2 作用在绿篱机机体上的力

3.1.3 作用在人体上的力

3.1.4 工作载荷的试验验证

3.2 机器人运动模式的确定

3.2.1 运动参数与轨迹划分

3.2.2 修剪过程人体的典型位姿

3.2.3 下肢的运动信号

3.3 小结

4 外骨骼机器人运动学动力学分析

4.1 外骨骼机器人运动学分析

4.1.1 平衡上肢运动学分析

4.1.2 助力下肢运动学分析

4.1.3 杆件尺寸设计与校核

4.2 外骨骼机器人动力学分析

4.2.1 平衡上肢动力学分析

4.2.2 助力下肢动力学分析

4.3 小结

5 外骨骼机器人随动控制策略研究

5.1 控制理论及方案的选择

5.1.1 控制策略研究比较

5.1.2 步态控制设计

5.1.3 控制及驱动方案

5.2 样机调试验证及程序改进

5.2.1 样机系统

5.2.2 程序调试改进

5.3 小结

6 总结与展望

6.1 工作总结

6.2 下一步研究构想

参考文献

致谢

个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果