下肢外骨骼机器人动态稳定特性研究
发布时间:2020-09-27 19:19
外骨骼机器人的研究方向有两个主要分支:康复外骨骼和助力外骨骼。前者主要用于医学领域,在人机协同运动过程中,康复外骨骼为主动运动,人体为被动运动;后者是助行和助力机器人,主要穿戴在正常人体上,通过外骨骼机器人机械机构,把负载转移到地面上,从而实现助力。助力外骨骼机器人在与穿戴者人机协同运动时,人体为主动运动,外骨骼机器人为被动运动。本文主要研究的是下肢助力外骨骼机器人,外骨骼机器人的助力,不仅能够增强人类本体的耐力,提高运动速度,而且能够提高人体抵抗负载的能力。因此,研究外骨骼机器人的动态稳定特性,对实现人机协同、外骨骼机器人的助力效果有着重要的意义。基于以上分析,提出了单自由度驱动下肢外骨骼机器人机械本体设计方案,减少了驱动数量,简化了下肢外骨骼机器人本体结构。在不同的运动姿态下,参考CGA人体运动数据,定义了各关节自由度,给出了各个关节运动角度范围;分别采用D-H运动学分析方法和拉格朗日动力学分析方法,分析了人机系统多姿态动态运动特性,采用MATLAB和ADAMS分析软件,进行了运动仿真,得到了理论和仿真对比结果:在各姿态运动转换时,运动参数发生大的突变,从曲线轨迹上看,波动较明显,整体系统稳定性偏低。在零力矩点平衡理论的基础上,提出了基于ZMP双足投影多边形法稳定性判据,获得了单步运动过程中稳定多边形的变化规律,定性分析了人机系统多姿态稳定特性,基于ZMP双足投影多边形法稳定性判据的基础上,结合最短距离稳定裕度的稳定程度计算方法,提出了不稳定率,由不稳定率定义可知,稳定多边形内部的稳定程度以及出现的失稳形式不尽相同,因此,由稳定多边形的形心出发,分别连接稳定多边形的顶点,把稳定多边形分割成若干个三角形,在若干三角形内,分析了各姿态动态稳定特性,计算了各个姿态中的稳定程度。从重心COG出发,分析了其对人机系统多姿态动态稳定特性的影响。建立了重心COG与零力矩点ZMP空间坐标系和三维空间倒立摆模型,进行了受力分析,得到了重心COG与零力矩点ZMP的空间位置关系表达式;在零力矩点ZMP理论的基础上,建立了 Z向人机系统受力模型,得到了足底压力关于力学模型的关系式,推导出了零力矩点ZMP与足底压力COP之间的关系表达式;基于以上两点,提出了压力中心点-零力矩点-重心点算法,绘制了压力中心点-零力矩点-重心点算法流程图,得到了压力中心点COP与重心COG之间的关系。在多姿态运动环境下,具体分析了重心COG对各个姿态动态稳定特性影响。蹲起姿态中,建立了蹲起姿态倒立摆简化模型,采用动量和角动量概念,分析了重心COG与零力矩点ZMP关系;行走姿态中,建立了人机系统可伸缩倒立摆模型,从初始加速期、双腿支撑期、减速阶段和加速阶段四个阶段分析了矢状面内重心COG-零力矩点ZMP之间的关系,得到了重心COG位移、速度变化轨迹;上楼梯姿态中,建立了 6步上楼梯动作示意图,重点分析了中步阶段上楼梯过程,借助倒立摆模型及理论,建立了一种虚拟变高度倒立摆模型,定义了倒立摆Z向高度变化影响因子α、β,建立了重心COG在Z向5次多项式,并进行求解。搭建了多姿态运动试验平台,开展了多姿态运动稳定特性试验研究。通过足底压力传感器,采集了各个姿态运动过程中的足底压力,结合压力中心点-零力矩点-重心点算法,分析对比试验与理论结果,结果表明:在运动过程中,人机系统能够满足稳定特性要求,稳定程度在局部有逼近稳定边界的趋势,因此,需要进一步进行稳定控制策略的研究,加强人机系统的综合稳定程度。本文通过多姿态运动试验平台以及人体运动数据测量系统,获得了蹲起、行走和上楼梯三种姿态人机运动过程中重心变化轨迹,为验证双足投影多边形法及压力中心点-零力矩点-重心点算法的准确性提供了试验依据。通过试验与理论结果的对比验证了双足投影多边形法及压力中心点-零力矩点-重心点算法的正确性,为双足行走机器人稳定特性研究提供了新的思路和方法。
【学位单位】:山东科技大学
【学位级别】:博士
【学位年份】:2019
【中图分类】:TP242
【部分图文】:
Fig.邋1.1邋Exoskeleton邋practical邋field逡逑穿戴式外骨骼机器人的出现,是机器人学相关学科相互渗透、相互交叉的极致逡逑体现,也是人机交互领域的典型代表,以人体的结构尺寸和肢体结构功能作为主要逡逑设计依据,可以穿戴在人身上完成一定的功能。外骨骼机器人将人类智慧、运动灵逡逑活性等优点与机械骨骼的持久力和高负载能力完美结合在一起。外骨骼机器人设计逡逑思想首先出现在上世纪60年代,当时设计的目的主要是增强军队士兵的机动性和灵逡逑活性,是一项具有保密性的研究方向。随着研宄的深入,人机共融机器人逐渐在工逡逑业移动搬运等领域有所体现。外骨骼机器人作为人机共融典型代表,在助力和康复逡逑领域得到了显著发展,逐渐从军事领域向民用助力和康复医疗方向转化。逡逑外骨骼机器人的研制最早起源于美国和南斯拉夫两个国家,但是研究的方向不逡逑尽相同。美国研究的出发点是提高士兵和穿戴者的灵活性和高承载能力;南斯拉夫逡逑2逡逑
)aV逡逑^9flCSS^llJk逡逑■邋■邋4hsji逡逑图1.4邋MIT准被动下肢助力外骨骼逡逑Fig.邋1.4邋MIT邋quasi-passive邋exoskeleton逡逑之后很长的一段时间,外骨骼机器人研宄进展缓慢。直到2000年,美国国防部逡逑高级研宄项目局(DARPA)认为科研条件成熟,启动了一项为期7年、投资7500万美逡逑元的项目“增强人体机能的外骨骼系统”(EHPA)。自此,可穿戴式外骨骼机器人的研逡逑宄再次成为热点,各种新型驱动方式也都被应用于外骨骼上,目前主要有液压驱动、逡逑电机驱动和气动驱动三种类型的可穿戴式外骨骼机器人。逡逑日本神奈川工科大学于2002年研发出了一款名为WPAS的外骨骼机器人,如图逡逑1.5所示。WPAS用于帮助护士照顾过重或无法行走的病人,在WPAS的辅助下,护士逡逑可承受294N的负载,WPAS由微型气泵驱动,该气泵由SN-Ni电池供电。然而,WPAS逡逑过于笨重
且结构复杂,难以在医院中使用。逡逑£逡逑图1.5日本神奈川工科大学研发的PAS逡逑Fig.邋1.5邋PAS邋developed邋by邋Kanagawa邋Institute邋of邋Technology逡逑2004年,美国加州大学伯克利分校在项目资助下,研制了一套BLEEX系统【44-481,逡逑如图1.6所示,其正式发布曾引起轰动,被媒体广泛报道,是第一个能够实际工作的逡逑可穿戴式外骨骼机器人。第一代BLEEX可负重34公斤,以1.3m/s的速度行走约4小时逡逑[49-51】。BLEEX每条仿生机械腿有7个自由度,其中4个自由度由液压装置驱动逡逑分别为髋关节、膝关节、踝关节屈伸自由度和髋关节外展内收自由度,7个自由度的逡逑设置既保证了安全性,又保证了外骨骼可以完成尽量多的复杂动作。由于采用液压逡逑7逡逑
【学位单位】:山东科技大学
【学位级别】:博士
【学位年份】:2019
【中图分类】:TP242
【部分图文】:
Fig.邋1.1邋Exoskeleton邋practical邋field逡逑穿戴式外骨骼机器人的出现,是机器人学相关学科相互渗透、相互交叉的极致逡逑体现,也是人机交互领域的典型代表,以人体的结构尺寸和肢体结构功能作为主要逡逑设计依据,可以穿戴在人身上完成一定的功能。外骨骼机器人将人类智慧、运动灵逡逑活性等优点与机械骨骼的持久力和高负载能力完美结合在一起。外骨骼机器人设计逡逑思想首先出现在上世纪60年代,当时设计的目的主要是增强军队士兵的机动性和灵逡逑活性,是一项具有保密性的研究方向。随着研宄的深入,人机共融机器人逐渐在工逡逑业移动搬运等领域有所体现。外骨骼机器人作为人机共融典型代表,在助力和康复逡逑领域得到了显著发展,逐渐从军事领域向民用助力和康复医疗方向转化。逡逑外骨骼机器人的研制最早起源于美国和南斯拉夫两个国家,但是研究的方向不逡逑尽相同。美国研究的出发点是提高士兵和穿戴者的灵活性和高承载能力;南斯拉夫逡逑2逡逑
)aV逡逑^9flCSS^llJk逡逑■邋■邋4hsji逡逑图1.4邋MIT准被动下肢助力外骨骼逡逑Fig.邋1.4邋MIT邋quasi-passive邋exoskeleton逡逑之后很长的一段时间,外骨骼机器人研宄进展缓慢。直到2000年,美国国防部逡逑高级研宄项目局(DARPA)认为科研条件成熟,启动了一项为期7年、投资7500万美逡逑元的项目“增强人体机能的外骨骼系统”(EHPA)。自此,可穿戴式外骨骼机器人的研逡逑宄再次成为热点,各种新型驱动方式也都被应用于外骨骼上,目前主要有液压驱动、逡逑电机驱动和气动驱动三种类型的可穿戴式外骨骼机器人。逡逑日本神奈川工科大学于2002年研发出了一款名为WPAS的外骨骼机器人,如图逡逑1.5所示。WPAS用于帮助护士照顾过重或无法行走的病人,在WPAS的辅助下,护士逡逑可承受294N的负载,WPAS由微型气泵驱动,该气泵由SN-Ni电池供电。然而,WPAS逡逑过于笨重
且结构复杂,难以在医院中使用。逡逑£逡逑图1.5日本神奈川工科大学研发的PAS逡逑Fig.邋1.5邋PAS邋developed邋by邋Kanagawa邋Institute邋of邋Technology逡逑2004年,美国加州大学伯克利分校在项目资助下,研制了一套BLEEX系统【44-481,逡逑如图1.6所示,其正式发布曾引起轰动,被媒体广泛报道,是第一个能够实际工作的逡逑可穿戴式外骨骼机器人。第一代BLEEX可负重34公斤,以1.3m/s的速度行走约4小时逡逑[49-51】。BLEEX每条仿生机械腿有7个自由度,其中4个自由度由液压装置驱动逡逑分别为髋关节、膝关节、踝关节屈伸自由度和髋关节外展内收自由度,7个自由度的逡逑设置既保证了安全性,又保证了外骨骼可以完成尽量多的复杂动作。由于采用液压逡逑7逡逑
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本文编号:2828265
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