【摘 要】
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为解决老龄、残障人士助力助行的问题,结合日趋成熟的机器人技术,开发可穿戴的下肢外骨骼机器人的装置,辅助恢复步行障碍患者的机体功能。本文依托江苏省产业前瞻与共性关键技术重点项目:敏捷性助老助残外骨骼机器人关键技术研发,开展了下肢外骨骼机器人的相关研究:第一,完成下肢外骨骼机器人关节自由度配置和下肢机构基本参数;设计串型弹性驱动器的外骨骼柔性驱动关节,进行驱动模块的主要零部件选型;借鉴传统刚性外骨骼,
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为解决老龄、残障人士助力助行的问题,结合日趋成熟的机器人技术,开发可穿戴的下肢外骨骼机器人的装置,辅助恢复步行障碍患者的机体功能。本文依托江苏省产业前瞻与共性关键技术重点项目:敏捷性助老助残外骨骼机器人关键技术研发,开展了下肢外骨骼机器人的相关研究:第一,完成下肢外骨骼机器人关节自由度配置和下肢机构基本参数;设计串型弹性驱动器的外骨骼柔性驱动关节,进行驱动模块的主要零部件选型;借鉴传统刚性外骨骼,开展外骨骼机器人的腰背部、腿部、脚部等柔性支撑件与柔性连杆的机构研究;基于主要支撑零部件的三维模型,结合各类材质的材料属性,利用Solidworks Simulation完成主要支撑零部件的力学性能校核;完成机器人总体虚拟样机设计,并进行人体步态的Adams运动模拟仿真。第二,对下肢外骨骼机器人进行模型分析,模型采用下肢外骨骼机器人机械结构简化出的二连杆模型,结合Matlab的Robotic Toolbox进行运动学的正、逆解得到机器人末端点和关节角度之间的关系,其仿真结果符合人的步态习惯;下肢外骨骼机器人的动力学采用拉格朗日法,分析系统的动能和势能,求出各个关节驱动所需要的扭矩;步相切换采用基于逻辑回归的机器学习算法,为后续下肢外骨骼机器人控制系统的研究建立了基础。第三,基于CAN总线技术,提出下肢外骨骼机器人的分布式控制系统框架;根据控制系统的总体方案,分别从上位机、传感器和运动控制模块构建下肢外骨骼机器人完整的控制系统硬件平台;结合实际应用中下肢运动特点,设计助力控制模式,完成人机控制系统交互通道的创建,设计出基于阻抗控制原理的最小作用力控制算法;针对电驱关节搭建关节实验平台,在PID控制原理的基础上完成了伺服控制器电流环、速度环和位置环的设计,并进行电驱关节的PID调参,完成电驱关节的三环整定。第四,进行下肢外骨骼机器人系统的集成,研制出下肢外骨骼机器人实验样机,并针对样机的机械性能进行评估和验证;依托研制出的下肢外骨骼机器人实验样机为平台,进行了穿戴者完成典型动作测试试验和助力效果试验,对其运动特性和工作性能进行评估,验证理论研究结果;进行下肢外骨骼机器人穿戴实验,分析穿戴前后助力效率。第五,通过相关试验得出结论:下肢外骨骼机器人系统以扭矩传感器、磁编码器跟随人体运动时,没有产生明显的冲击;随着位置信号的变化,扭矩传感器除了步态切换时产生扭矩突变,大部分时间扭矩值为零,证实基于最小作用力原理的控制算法助力效果明显;分析慢走和快走模式的扭矩和加速度周期曲线,得出慢走助力平均峰值扭矩15.3N.m,快走助力平均峰值扭矩18.2N.m;电机跟随扭矩传感器时间为0.02s,符合外骨骼助力行走实际需求;外骨骼机器人穿戴后心率降低了1%～7%,且快走比慢走模式,助力效果更加明显。
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