可穿戴型助力机器人技术研究

摘要

可穿戴型步行助力机器人技术研究是近年来比较崭新的一个研究领域，属于特种机器人的范畴，其涉及机器人学、人体工程学、控制理论、传感器技术、信息处理技术等。可穿戴型步行助力机器人可帮助人们扩展其下肢部位的运动能力，可在帮助老人、残疾人提高自主生活能力，增加救灾、防暴人员运动能力等方面发挥重要作用。助力机器人包括可穿戴在人体上各部位的机械装置、动力装置和控制装置以及检测人体运动信息的多种传感器，它们组成一个可提高人体相应部位运动功能与负荷能力的辅助机器人系统以及一个类似人类神经系统的局域网，是典型的人机一体化系统。 在国家自然科学基金的资助下，本文以多关节机械操作臂为基础，结合人体运动意图判断、接触力传感器和假想柔顺控制，研究了可穿戴型步行助力机器人系统。内容包括：系统分析和计算了外骨骼装置的基本特性；成功研制出助力装置的原形样机，包括外骨骼机械装置、人．机系统运动学和动力学分析、接触力传感器；采用基于接触力多传感器信息融合理论，进行人体运动意图的判别；提出了假想柔顺控制方法，通过调节各测力点处的假想质量、假想弹性系数和假想阻尼系数来改变使用者步行时感受到的运动强度。 全文贯穿了理论分析和技术实现两个基本问题，涉及多个研究领域，主要体现在以下几个方面： 1．步行助力机器人以不妨碍人的基本行走功能为前提，结合人体工程学、人体解剖学和机械设计技术等，设计出一款单侧具有6自由度的步行助力装置，其中，髋关节拥有3个自由度，分别完成屈/伸、外展/内收和旋内/旋外的运动，实现人在步行运动过程中的直线行走、调节平衡和改变方向的功能，膝关节仅具有完成屈/伸运动的自由度，它与髋关节的屈/伸运动共同完成了人体直线行走运动功能。此外，通过对人体在行走过程中关节活动的能量消耗及机械系统设计的复杂性分析，仅髋关节的屈/伸运动及膝关节的屈/伸运动采用外部驱动模式。步行助力机器人以使用者形体为设计参考对象，如大、小腿长度、腰围和关节活动自由度等。为了避免步行助力机器人与使用者在共同行走过程中出现运动干涉等问题，步行助力机器人各连杆长度可在一定范围内进行调节，金属腰带也依据使用者腰围进行调整，它们组成了一个开放的机械结构系统。通过助力机器人系统的运动学公式及动力学方程，并结合运动仿真软件进行了设计优化，同时，也为外部驱动源的选型提供了参考。 2．提出了基于多接触力传感器的人体运动意图判别新思路。通过对获取肌电和运动图像等信息手段进行人体运动意图识别方法进行了分析和评判，结合我们现有的研究水平与实际应用环境，提出根据各测力点感受到的人体运动时的多维力导向信息来判断下肢运动模式的方法，通过在人．机间配置检测人体运动检测点，如侧面多维力传感器和脚底反力传感器等，利用现代信号处理技术、数据融合技术，综合判断人体的运动意图。这种方法将有别于现有可穿戴型助力机器人系统获取人体运动意图的方法。 3．通过理论分析和技术实现，研制出十二自由度和四电机驱动的助力机器人原型样机。通过对国外助力机器人控制方法的详细分析研究后，根据其自身结构特点情况，提出假想柔顺控制方法，它通过调节各测力点的假想质量、假想弹性系数和假想阻尼系数，减小使用者感受到的运动强度，实现对人体运动的助力支持，同时，利用假想柔顺控制方法，把具有几个自由度的机器人的控制问题等效为几个独立的控制问题。

目录

文摘

英文文摘

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第一章绪论

1.1前言

1.2助力机器人的研究概况

1.2.1国外研究背景

1.2.2国内研究背景

1.3研究目的和意义

1.4论文主要研究内容

参考文献

第二章助力机器人构型及运动分析

2.1人类步行简述

2.2人体运动机理及肌肉模型

2.2.1人体运动机理

2.2.2肌肉动力学模型

2.3人体下肢各关节运动范围及其运动特点

2.4步行助力机器人的基本组成

2.5助力机器人体系结构设计

2.5.1非拟人结构

2.5.2拟人结构

2.6自由度设计

2.6.1髋关节

2.6.2膝关节

2.6.3踝关节

2.6.4拇趾跖趾关节

2.7其它部件设计

2.7.1腰带设计

2.7.2连杆设计

2.8驱动关节的确定

2.9步行助力机器人动力系统

2.9.1驱动方式分析

2.9.2驱动电机选择

2.9.3电源选择

2.10助力机器人运动学设计概述

2.10.1机器人正/逆向运动学

2.10.2机器人正向运动学的解

2.10.3逆向运动学问题的多解性与可解性

2.10.4雅可比矩阵的求解

2.10.5助力机器人运动学仿真

小结

参考文献

第三章助力机器人动力学分析

3.1人体基本参数

3.1.1人体下肢各环节的质量分布和质心相对位置

3.1.2人体下肢各环节转动惯量

3.2助力机器人动力学分析

3.2.1拉格朗日函数

3.2.2步行助力机器人单侧系统动力学方程

3.3助力机器人动态仿真与分析

小结

参考文 献

第四章人-机交互系统设计与实现

4.1人机交互与人机-体化系统

4.2人体运动信息获取

4.2.1运动图像采集与分析方法

4.2.2光电运动检测分析方法

4.2.3肌电信号及其运动辨识

4.2.4基于力信息的运动辨识

4.3步行助力机器人传感器系统

4.3.1传感器的基本特征

4.3.2步行助力机器人力传感器

4.4步行助力机器人整体结构

小结

参考文献

第五章助力机器人操作系统的综合与实验

5.1系统平台的软硬件实现

5.1.1电控系统的硬件组成

5.1.2系统中的软件实现

5.2实验系统总体构成

5.3控制模型的建立

5.3.1分析模型简化

5.3.2数学模型

5.4系统平台的测试实验结果与分析

5.4.1基于PCI总线的数据采集

5.4.2基于假想质量、假想弹性系数的伺服控制系统

小结

参考文献

第六章总结和展望

6.1研究工作总结

6.2本文的创新点

6.3未来工作展望

附录

攻读博士学位期间的主要研究工作及成果

致谢