可穿戴型助力機器人技術研究.pdf

1、可穿戴型步行助力機器人技術研究是近年來比較嶄新的一個研究領域，屬于特種機器人的范疇，其涉及機器人學、人體工程學、控制理論、傳感器技術、信息處理技術等?？纱┐餍筒叫兄C器人可幫助人們擴展其下肢部位的運動能力，可在幫助老人、殘疾人提高自主生活能力，增加救災、防暴人員運動能力等方面發(fā)揮重要作用。助力機器人包括可穿戴在人體上各部位的機械裝置、動力裝置和控制裝置以及檢測人體運動信息的多種傳感器，它們組成一個可提高人體相應部位運動功能與負荷能力的

2、輔助機器人系統(tǒng)以及一個類似人類神經(jīng)系統(tǒng)的局域網(wǎng)，是典型的人機一體化系統(tǒng)。 在國家自然科學基金的資助下，本文以多關節(jié)機械操作臂為基礎，結(jié)合人體運動意圖判斷、接觸力傳感器和假想柔順控制，研究了可穿戴型步行助力機器人系統(tǒng)。內(nèi)容包括：系統(tǒng)分析和計算了外骨骼裝置的基本特性；成功研制出助力裝置的原形樣機，包括外骨骼機械裝置、人．機系統(tǒng)運動學和動力學分析、接觸力傳感器；采用基于接觸力多傳感器信息融合理論，進行人體運動意圖的判別；提出了假想柔順

3、控制方法，通過調(diào)節(jié)各測力點處的假想質(zhì)量、假想彈性系數(shù)和假想阻尼系數(shù)來改變使用者步行時感受到的運動強度。 全文貫穿了理論分析和技術實現(xiàn)兩個基本問題，涉及多個研究領域，主要體現(xiàn)在以下幾個方面： 1．步行助力機器人以不妨礙人的基本行走功能為前提，結(jié)合人體工程學、人體解剖學和機械設計技術等，設計出一款單側(cè)具有6自由度的步行助力裝置，其中，髖關節(jié)擁有3個自由度，分別完成屈/伸、外展/內(nèi)收和旋內(nèi)/旋外的運動，實現(xiàn)人在步行運動過程中的

4、直線行走、調(diào)節(jié)平衡和改變方向的功能，膝關節(jié)僅具有完成屈/伸運動的自由度，它與髖關節(jié)的屈/伸運動共同完成了人體直線行走運動功能。此外，通過對人體在行走過程中關節(jié)活動的能量消耗及機械系統(tǒng)設計的復雜性分析，僅髖關節(jié)的屈/伸運動及膝關節(jié)的屈/伸運動采用外部驅(qū)動模式。步行助力機器人以使用者形體為設計參考對象，如大、小腿長度、腰圍和關節(jié)活動自由度等。為了避免步行助力機器人與使用者在共同行走過程中出現(xiàn)運動干涉等問題，步行助力機器人各連桿長度可在一定范

5、圍內(nèi)進行調(diào)節(jié)，金屬腰帶也依據(jù)使用者腰圍進行調(diào)整，它們組成了一個開放的機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。通過助力機器人系統(tǒng)的運動學公式及動力學方程，并結(jié)合運動仿真軟件進行了設計優(yōu)化，同時，也為外部驅(qū)動源的選型提供了參考。 2．提出了基于多接觸力傳感器的人體運動意圖判別新思路。通過對獲取肌電和運動圖像等信息手段進行人體運動意圖識別方法進行了分析和評判，結(jié)合我們現(xiàn)有的研究水平與實際應用環(huán)境，提出根據(jù)各測力點感受到的人體運動時的多維力導向信息來判斷下肢運動

6、模式的方法，通過在人．機間配置檢測人體運動檢測點，如側(cè)面多維力傳感器和腳底反力傳感器等，利用現(xiàn)代信號處理技術、數(shù)據(jù)融合技術，綜合判斷人體的運動意圖。這種方法將有別于現(xiàn)有可穿戴型助力機器人系統(tǒng)獲取人體運動意圖的方法。 3．通過理論分析和技術實現(xiàn)，研制出十二自由度和四電機驅(qū)動的助力機器人原型樣機。通過對國外助力機器人控制方法的詳細分析研究后，根據(jù)其自身結(jié)構(gòu)特點情況，提出假想柔順控制方法，它通過調(diào)節(jié)各測力點的假想質(zhì)量、假想彈性系數(shù)和假