助力外骨骼人机系统动力与能量驱动特征研究

摘要

助力下肢外骨骼技术的研究是基于军事、医疗和抗震救援等方面的需求。其目的是在助力下肢外骨骼的协助下，提高单兵作战能力；通过下肢外骨骼与医生的结合更有效地对行动障碍人士进行康复性训练，对行动不便人士提供行走的可能性；通过配备助力下肢外骨骼能够提高救援工作的效率，在黄金救援时间内挽救更多的生命。 以西南交通大学第三代外骨骼试验样机为分析对象，从人体负重行走运动过程出发对人机系统负重行走的能量进行分析。具体分析内容如下： (1)对人体负重行走过程进行步态分析，进行参数明确，划分人体负重行走的两种支撑状态。使用光学采集系统采集人体负重行走过程的关键点的空间坐标，简化人体行走模型，得到球棍模型。对负重的空间轨迹进行研究，将其分解为垂向和水平两方向的运动，并采用不同的基函数拟合，获得不同负重、不同步速下的数学模型。对人体空间坐标点分析，获得数据采集时刻的下肢各关节的关节角，采用SineSqr基函数进行函数拟合，并对拟合结果进行合理性分析。 (2)以西南交通大学第三代外骨骼为研究对象，将外骨骼结构视为5连杆模型，以刚体平面运动微分方程为基础，逐一分析各部分连杆，建立单腿支撑状态、双腿支撑状态负重行走的各关节角的动力学模型。对人体负重行走过程分析，认为在某周期内，负重位于垂向最低点时，人体处于双腿支撑状态。对负重的拟合垂向位移曲线的极小值进行求解，获得其对应的时间，从而获得整周期各阶段的时间。分别对不同负重、不同步速下的外骨骼负重行走进行仿真分析，对左腿支撑状态、左腿换右腿双腿支撑状态和整周期左右腿进行对比。 (3)以人体负重行走运动学参数为基础，对外骨骼、负重、系统进行机械能量分析，获得各能量模型。对 8 个工况分别进行能量计算，对不同负重、不同步速进行对比分析。 (4)采用分段研究的方法，对物体做功计算方法进行改进，获得各阶段做功，即为能量消耗，并对不同负重、不同步速的系统能耗进行对比分析。对外骨骼膝关节结构进行分析，获得液压缸与外骨骼的距离参数，对支撑腿膝关节液压缸的驱动力进行研究。 综上所述，人机系统负重行走过程的运动学、动力学及能量分析，为外骨骼能源设计、驱动系统设计及结构设计奠定基础。

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