基于人体能量流动特性的外骨骼低能耗驱动关节的研究

摘要

如今，很多前沿的穿戴式下肢骨骼服能够满足人体的助力行走需求，在工程领域体现出重大的应用价值，但外骨骼机器人在运行过程中会消耗大量的能量，能源是制约外骨骼技术发展的主要因素之一，研究节能技术是提高外骨骼机器人续航能力的重要途径。
　　在生物学研究领域发现，人体在运动过程中，各关节的能耗不是一成不变的，而是具有流动特性，基于此，本文从研究人体运动过程入手，揭示肢体间能量流动的规律，进而获悉各关节在此过程中所表现出的特性，以此建立人体关节能量流动模型，从而指导外骨骼关节的优化设计和驱动方法，提高外骨骼的能量利用效率，为提升外骨骼续航能力的研究奠定基础。
　　首先，分析了人体关节的几何参数，建立人体五杆模型的运动学和动力学方程，利用运动捕捉系统及捷联惯导采集人体运动信息，求解不同运动速度下各关节的驱动力矩及功率，并通过三维力台系统的对比实验验证了求解结果的正确性。基于此，建立了人体各杆件及关节的能量流动方程，得到人体运动过程中能量的流动特性。
　　然后，基于上述能量流动特性，分析得到运动关节的力学特性，结合主-被动力并联驱动关节的约束方程，建立了系统能耗模型。接着以膝关节为研究对象，基于系统能耗模型建立其能耗优化目标函数及约束条件，应用结合卡尔曼滤波的改进遗传算法，对膝关节负荷分配进行了研究，建立了以能耗最优为目的的关节力矩解耦算法。
　　最后，搭建了直线电机对顶平台，进行了节能效果对比实验，实验结果验证了关节力矩解耦算法对于能耗优化的可用性。在此基础上，进行了外骨骼服助力奔跑实验，验证了基于关节力矩解耦算法的主-被动并联驱动关节，能够在外骨骼服助力过程中起到节省系统能耗的作用。

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第1章 绪论

1.1课题来源及研究的目的和意义

1.2外骨骼机器人能耗优化研究现状

1.3国内外研究现状综述

1.4主要研究内容

第2章 人体下肢动力学建模及能量流动特性分析

2.1引言

2.2人体简化模型及步态测定实验

2.3人体稳定步态正运动学与逆动力学分析

2.4平地行走与奔跑步态下的能量分析

2.5本章小结

第3章 基于能效优化的关节力矩解耦算法

3.1引言

3.2运动关节力学特性及主被动元件力学特性分析

3.3系统能耗模型与约束条件

3.4基于遗传算法在膝关节力矩解耦中的应用

3.5基于卡尔曼滤波算法在膝关节力矩解耦中的应用

3.6基于改进遗传算法在膝关节力矩解耦中的应用

3.7基于改进遗传算法在髋关节力矩解耦中的应用

3.8本章小结

第4章 基于解耦算法的膝关节能效验证实验

4.1引言

4.2膝关节外骨骼助力结构

4.3主-被动并联驱动单元对顶实验平台

4.4不同驱动模式下穿戴外骨骼助力奔跑验证实验

4.5本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

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