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基于人机交互的负重型下肢外骨骼关键技术研究

朱钧  
【摘要】:下肢外骨骼是一种具有“人机交互”特性的新型可穿戴式的机电一体化机器人。对下肢外骨骼的研究在康复医学、助老助残和单兵作战等方面均具有重要的学术研究意义和重大的社会应用需求,近年来已经成为了机器人学科研究的一个热点。负重型下肢外骨骼作为下肢外骨骼的一个重要分支,能够减轻穿戴者的下肢负担并提高其负重能力。其技术上的挑战,主要包括优化设计兼顾运动灵活性与有效承载能力的仿生结构,实现外骨骼关节的可变刚度柔顺驱动,有效获取穿戴者运动意愿和步行状态,以及延长外骨骼的续航能力等问题。在国家自然科学基金(No.50775072和No.51275170)的资助下,本论文针对负重型下肢外骨骼在欠驱动结构设计、关节变刚度柔顺驱动和协同步行控制策略等关键技术问题,采用理论研究、数值仿真和实物样机试验相结合的方法,开展了相关研究。主要工作包括:(1)提出了一种具有可变约束髋关节的外骨骼自适应结构设计方法。通过分析承载工况下外骨骼欠驱动关节失控的原因,研究了自适应结构的构形,论证了该欠驱动自适应结构具有运动灵活性和较强承载能力。(2)提出了一种外骨骼关节控制的变刚度柔顺驱动方法,研制了一种单向可控刚度液压关节执行器。基于可控刚度执行器的理论建模与分析,采用变增益PID控制策略实现了对外骨骼关节扭矩与被动刚度的控制。(3)提出了一种基于位姿步态状态机的主被动混合步行控制策略。通过研究人体生物关节的变刚度行为,建立了基于位姿步态的控制状态机和对应的外骨骼关节控制模型,实现了外骨骼步行模式的主被动切换,降低了外骨骼关节的驱动能耗。(4)研制了一套基于可控刚度执行器的负重型下肢外骨骼试验样机。通过试验研究,检验了单向可控刚度液压执行器的控制性能,验证了步行控制策略的可行性和下肢外骨骼试验样机的承载能力。研究试验结果表明,本论文提出的欠驱动自适应下肢外骨骼优化结构能够满足外骨骼在下肢运动中的灵活性要求。受力分析表明该结构具有90%左右的承载能力。研制的单向可控刚度执行器具有良好的关节扭矩与被动刚度控制性能,在26公斤外载试验条件下,能够满足负重型外骨骼膝关节的变刚度柔顺驱动需求。当采用基于位姿步态状态机的主被动混合步行控制策略时,试验样机能够实现与穿戴者协同负重步行。平地步行试验结果表明,外骨骼试验样机能够承担81%的整机与外载总质量,并能够改善穿戴者在负载步行中的位姿与步态。本论文研究成果对负重型下肢外骨骼的性能改进具有重要的工程应用价值。


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