外骨骼助行机器人的构型设计与静稳定行走步态规划

摘要

下肢外骨骼机器人是一种可以穿戴在使用者身体外部的机械装置，能够提供辅助行走、提高力量等功能。其主要用途有两大类：第一类辅助老年人以及下肢瘫痪者进行行走，提高他们自主生活的能力；第二类为单兵作战的士兵、科考人员等常人提供额外的力量，帮助他们在工作时能够减少大量的体能消耗，提高工作效率。外骨骼机器人的研究融合了人机工程学、机器人学、机构学、仿生学、传感技术、信号处理、控制等相关学科，突出人机结合、优势互补。
　　随着社会经济的发展，交通运输工具在不断地增多，造成的交通事故也在不断增长。因交通事故造成神经损伤、肢体损伤的人数也在不断地上涨。同时，随着医学的发展、生活质量的提高以及出生率的逐渐降低，老龄人口也在逐年增加。下肢瘫痪者和行走不便的老年人对能够实现正常行走、提高自主生活能力的需求在逐渐增强。针对这样的要求，对能够辅助老年人和下肢瘫痪者行走的外骨骼助行机器人进行了研究。本课题是在国家自然科学基金“面向外骨骼助行机器人的柔顺人机连接原理及实现方法研究”的资助下具体展开的，其主要的研究内容包含以下几部分：
　　(1)外骨骼助行机器人的构型设计与运动学分析：在对人体行走时下肢生物骨骼模型分析的基础上，结合各关节自由度的配置和关节转角的范围设计了一种8自由度的外骨骼助行机器人的机械结构并进行加工装配。接着对其进行运动学建模，建立关节转角和重心轨迹的关系以及丝母位移和关节转角的数学关系，给后续的步态规划奠定基础。
　　(2)步态规划：在重心投影法的理论基础上，基于重心轨迹对下肢外骨骼助行机器人的行走运动进行步态规划，使其实现静稳定行走。此外，提出了机器人行走时稳定程度的评价指标，即稳定裕度，结合步态规划的方法建立稳定裕度的计算方法。并通过 MATLAB进行了仿真验证，对比理论求得与规划的重心轨迹和稳定裕度，通过步态参数的修改，使得理论求得的稳定裕度足够大，从而满足机器人能够静稳定行走。
　　(3)实验验证：为了验证步态规划的正确性以及机器人静稳定行走的稳定性，进行了相关的实验研究。首先搭建整个实验平台的硬件系统和软件系统，实验中首先进行双腿的悬挂实验以验证实验系统的正确性。接着进行不带负载的行走实验验证规划的步态轨迹正确性。接着提出了一种基于足底压力信息的重心计算方法，通过带负载实验验证通过足底压力信息求得的实际重心轨迹和规划重心轨迹的重合性以及基于足底压力信息重心计算方法的可行性，最后计算出实际的稳定裕度以验证机器人是否能够满足静稳定行走。

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第一章 绪论

1.1研究背景与意义

1.2国内外研究现状

1.3本文研究主要内容

第二章 外骨骼助行机器人构型设计与运动学分析

2.1引言

2.2人体下肢生物骨骼模型

2.2 外骨骼助行机器人的构型设计

2.3外骨骼助行机器人运动学分析

2.4 本章小结

第三章 基于重心轨迹机器人静稳定行走的步态规划

3.1前言

3.2步态规划方法类别

3.3人体行走时步态与重心轨迹分析

3.4静稳定判定

3.5 基于重心轨迹的步态规划

3.6步态规划的轨迹实现

3.7稳定裕度的验证

3.8本章小结

第四章 外骨骼助行机器人的实验研究

4.1前言

4.2实验系统的搭建

4.3控制系统的设计

4.3 步态轨迹验证

4.4本章小结

第五章 结论

5.1全文总结

5.2展望

参考文献

攻读学位期间发表或撰写的论文

致谢