不确定条件下的下肢外骨骼动力学分析与设计研究

摘要

下肢外骨骼是一种将人类智慧与机器智能，人体力量与机器力量高度耦合的人机一体化系统，目的在于增强或恢复人体下肢的力量与耐力，在军事、医疗、太空探索、助老助残等领域有着极大的应用潜力。下肢外骨骼与人体协同行走的过程中，外骨骼机械构件始终保持与穿戴者下肢体段三维运动的高度协调一致而形成紧耦合的人机系统；但实际外骨骼机构中存在的诸多随机因素将改变系统的动态性能，进而影响外骨骼与人体下肢运动的协调一致性。因此，考虑人体穿戴下肢外骨骼的安全性与舒适性是发展高性能外骨骼的必然要求。故本文以下肢助力外骨骼为对象，考虑其人体穿戴的安全性与舒适性，从外骨骼机构动力学性态层面逐步开展了以下三个方面的研究： （1）在人体下肢运动机理、步态分析的基础上，进行了下肢外骨骼动力学建模与分析。首先剖析人体下肢关节自由度、驱动特点及运动的描述方式，为开展人体步态实验及建立合理的外骨骼力学模型奠定基础；然后通过人体三维运动捕捉实验，获取成年人体正常步态下的关节角位移、系统外力等数据，结合本文建立的外骨骼机构三维力学模型完成其与人体协调行走的运动学、动力学分析，并验证了该动力学模型的合理性、求解的正确性。 （2）完成外骨骼各关节驱动力矩的时变可靠性分析并评价下肢外骨骼的穿戴安全性。充分考虑实际下肢外骨骼机构的几何尺寸、背部负载等随机物理参量的影响，在基于理想条件下的外骨骼动力学模型基础上，导出外骨骼各关节实际驱动力矩的数学模型；由关节实际驱动力矩与理想驱动力矩之间的差异所引起的系统动态特性变化，进而导出下肢外骨骼时变可靠性分析模型，最后结合该模型特点，利用蒙特卡洛仿真(Monte Carlo simulation)法计算了各关节的时变可靠度。 （3）综合考虑下肢外骨骼的穿戴安全性与舒适性，建立了下肢外骨骼时变可靠性稳健设计(RBRDO)模型并求解。穿戴舒适性以外骨骼膝关节实际驱动力矩均值与对应的理想驱动力矩值之差及实际驱动力矩方差之加权和为目标来实现，穿戴安全性以外骨骼各关节驱动力矩的时变可靠度约束来保证；并结合外骨骼实际运动特性等，建立了下肢外骨骼时变可靠性稳健设计模型。最后，对优化模型利用改进的PSO算法进行了求解，优化结果表明了其对降低外骨骼各关节实际驱动力矩的波动性具有一定的工程参考价值。 本文通过考虑下肢外骨骼结构化与非结构化的不确定因素，结合外骨骼穿戴安全性与舒适性指标，相应的开展了随机条件下的下肢外骨骼动力学分析与设计的研究工作，并为解决外骨骼穿戴安全性与舒适性问题提供了一套可行的思路。

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