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下肢助力外骨骼机器人研究

张超  
【摘要】:随着世界范围的人口老龄化问题、医疗康复问题以及全球地质灾害频发等,各应用领域对外骨骼助力机器人的研究都日趋迫切和深入。下肢助力外骨骼机器人是一种供人穿戴的人机一体化机械装置,通过机器人提供助力以增强人体肌能,非常适合助老助残或辅助重体力劳动者的日常作业;还可以作为一个子系统被应用到多种领域,如地震救援系统、单兵作战系统、极地科考系统等。我国是世界上地震灾害最严重的国家之一,地震瞬间大范围破坏的桥梁、道路、建筑物等,严重阻碍了救援仪器和物资的运输。研制一种适于复杂路面环境下,辅助救援人员背负相关设备长途行走的可穿戴式下肢助力外骨骼,具有重要的研究价值和现实意义。目前国内外虽然已存在众多的下肢助力外骨骼机器人样机,但具有大负载能力,能够适应野外复杂地形的研究成果相对较少;相应的机器人设计方法、人机交互方法及人机协调运动控制方法等,还有待更深入的研究。本文通过面向负重行走的下肢助力外骨骼机器人HIT-LEX的研制,对其仿生学构型设计、机器人本体的研制、运动学和动力学分析、人体运动意图辨识及人机协调运动控制进行了深入探讨,最后,通过实验对下肢助力外骨骼机器人HIT-LEX的综合性能进行评价。为了设计出能够与人体下肢运动相协调的外骨骼构型,首先结合具体的功能需求,确定了人机运动学同构的拟人化设计理念。通过人体下肢生理学结构及行走机理分析,结合相关CGA数据,初步确定了拟人化的下肢助力外骨骼自由度设计方案及主动助力关节的选择。利用特殊设计的一款轻便型可穿戴式下肢外骨骼进行了人体行走步态及关节运动极限范围的检测,制定出合理的下肢助力外骨骼机器人的关节转动范围。在此基础上提出了多种下肢助力外骨骼机器的拟人化构型设计方案,通过对比分析选择相对较优的设计方案,为下一步的外骨骼机器人结构设计奠定基础。在仿生构型设计的基础上,分别针对“准拟人化”和“完全拟人化”两种相对较优的方案进行具体的结构设计,综合比较并最终选择了重量更轻、包络尺寸更加紧凑的“准拟人化”外骨骼结构。设计的外骨骼样机总重43kg,其中电源模块4.5kg。折叠后的包络尺寸为86.5×50×36.5cm,可以方便地放入拉箱内。机器人结构本体包含躯干部分、大小腿部分,以及具有多种传感检测功能的外骨骼传感靴。其中,在后背和脚底设计有六维力传感器进行人机交互力检测。对于髋、膝关节主动驱动单元的设计,采用模块化的设计方法,并具有较大的输出扭矩,以满足大负载下的助力需求。机器人的电气系统包括分层的控制硬件体系结构,以及通信系统和能源系统。下肢助力外骨骼机器人HIT-LEX具有时变的拓扑几何结构,并且含有大量的被动冗余关节,给机器人的运动学和动力学分析带来极大挑战。本文总结人体下肢运动的特点,对其进行合理的简化,建立了能够表征下肢行走运动特点的矢状面和额状面简化运动学模型。然后,针对矢状面单腿支撑相、矢状面双腿支撑相、额状面单腿支撑相、额状面双腿支撑相,以及外骨骼双腿腾空相共5种基本运动学形态,分别建立了相应的拉格朗日动力学方程,并进行了外骨骼不同运动构型判断准则的设计,以及相互之间过渡触发机制的制定,为机器人的运动控制研究奠定基础。针对复杂地形中人体下肢运动的姿态多样性和随意性的特点,通过对外骨骼后背和脚底的人机交互力信息,以及关节角度、姿态、触地状态等信息进行综合处理,进行人体下肢运动趋势的辨识。采用基于人机后背和脚底交互力反馈的外骨骼直接力控制方法,进行运动学末端的零力跟踪控制,实现了外骨骼负重条件下稳定连续的助力行走。从穿戴者的主观感受和一些客观的评价指标出发,建立多元化的评价体系,对外骨骼机器人的实际助力效果进行综合评价。首先,通过外骨骼的自主穿戴/脱卸测试、不同路面环境行走测试,以及复杂动作下的外骨骼协调运动能力测试,验证HIT-LEX下肢助力外骨骼的穿戴舒适性和环境适应性;通过与人体自然行走步态的对比,分析穿戴下肢助力外骨骼后对人体行走步态的影响。其次,客观评价指标方面,进行了最大有效负载测试、人体实际负重感测试,以及外骨骼的自身能耗及续航能力测试。结果表明,外骨骼施加到人体后背的力远小于背部负载的重力,说明外骨骼具有良好的助力效果;此外,外骨骼满足最大负载50kg、最大速度5km/h、续航距离5km、续航时间2h等设计指标。


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