【摘 要】
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截瘫助行外骨骼机器人在康复医疗领域的作用日益突出,为了保证患者使用外骨骼过程中的安全,外骨骼人机系统的平衡成为一大研究热点。要保持平衡的首要目标就是判别和量化平衡,即需要一个可靠的平衡指标。过去对人体和机器人的平衡指标研究较多,但对外骨骼人机系统的平衡指标研究不足。因此本文针对外骨骼人机系统,分别提出了两种平衡指标。一种是基于改进稳定锥的平衡指标,在最小稳定角大于零的情况下效果良好;另一种是基于质
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截瘫助行外骨骼机器人在康复医疗领域的作用日益突出,为了保证患者使用外骨骼过程中的安全,外骨骼人机系统的平衡成为一大研究热点。要保持平衡的首要目标就是判别和量化平衡,即需要一个可靠的平衡指标。过去对人体和机器人的平衡指标研究较多,但对外骨骼人机系统的平衡指标研究不足。因此本文针对外骨骼人机系统,分别提出了两种平衡指标。一种是基于改进稳定锥的平衡指标,在最小稳定角大于零的情况下效果良好;另一种是基于质心动力学的平衡指标,可以补充最小稳定角小于零的情况。最后通过实验验证了两种指标的有效性,本文的具体研究内容如下:基于稳定锥理论对外骨骼人机系统进行平衡指标研究。首先介绍了稳定锥方法的原理,然后分析如何将其应用于外骨骼人机系统上。本文发现该方法存在着没有设置阈值、平衡指标的权值系数过于主观等问题,因此对其进行优化改进。提出根据功能稳定边界确定平衡指标的阈值范围,引入稳定裕度来动态调节平衡指标的权值系数。通过对稳定锥方法进行改进,提出了改进稳定锥的平衡指标,能够更加客观地量化外骨骼人机系统的平衡程度。基于质心动力学对外骨骼人机系统进行平衡指标研究。分别分析了质心角动量、质心加速度和质心稳定裕度在外骨骼人机系统稳定行走过程中的变化,发现这三个变量有规律性地变化,能够作为平衡指标的重要参数,于是通过线性加权法将以上三个变量结合在一起,初步建立了一个平衡指标,并选择粒子群算法对指标中的权值系数进行优化,提出了一个适用于外骨骼人机系统行走时矢状面方向的平衡指标。针对本文所提出的两种平衡指标,采用运动捕捉系统Vicon进行实验验证,设计穿戴AIDER外骨骼静态倾倒实验和动态行走实验。通过静态倾倒实验确定了基于改进稳定锥平衡指标的阈值范围,四点支撑和三点支撑的阈值分别为100和1100,并验证了经稳定裕度优化权值系数后的平衡指标更加客观真实。同时,验证了基于质心动力学平衡指标可以补充最小稳定角小于零的情况,以阈值0.06为分界线,可以有效区分外骨骼人机系统行走时平衡与否。
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