【摘 要】
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柔性下肢外骨骼因其便携、舒适的特点,在康养、助残、运动保护与增强等领域具有广阔的应用前景。通过柔性外骨骼为运动关节助力,可以有效降低用户体能消耗,但辅助的关节越多,需要的电机越多,导致外骨骼重量增加,抵消了外骨骼的辅助效果。针对该问题,本文提出了一种多关节柔性下肢外骨骼,并深入研究了该外骨骼机器人的助力曲线、绑缚结构、运动意图提取以及控制系统等关键问题。首先,人体下肢运动信息是多关节柔性下肢外骨骼
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柔性下肢外骨骼因其便携、舒适的特点,在康养、助残、运动保护与增强等领域具有广阔的应用前景。通过柔性外骨骼为运动关节助力,可以有效降低用户体能消耗,但辅助的关节越多,需要的电机越多,导致外骨骼重量增加,抵消了外骨骼的辅助效果。针对该问题,本文提出了一种多关节柔性下肢外骨骼,并深入研究了该外骨骼机器人的助力曲线、绑缚结构、运动意图提取以及控制系统等关键问题。首先,人体下肢运动信息是多关节柔性下肢外骨骼的设计基础。利用VICON运动捕捉系统与OPENSIM联合仿真,通过逆运动学与逆动力学获得了人体在不同速度下行走时的下肢各关节的运动学和动力学参数,为辅助力曲线的设计和运动意图的提取提供依据。其次,基于时分复用思想提出了共六种单电机-多关节柔性外骨骼驱动方案,并详细研究了对跖屈运动和髋屈运动助力的方案,设计了4.5km/h速度下的助力曲线。根据动态改变辅助力加载路径的需求,设计了自动绕线器。同时,基于刚度最大原则设计了柔性绑缚,并设计了双向驱动器和传感控制系统。将双向驱动器和自动绕线器的特点相结合,实现了一个电机对多个关节运动进行助力。此外,为了将辅助力准确传递至目标关节,构建了基于迭代学习的导纳控制器。使用导纳控制器跟踪目标辅助力曲线;使用P型迭代学习控制器消除由个体体征差异引入的周期性误差;通过前馈模型消除下肢几何变化带来的鲍登线收线量变化。同时,设计了宽步幅步态的适应策略。最后,通过辅助力跟踪实验和肌肉活跃度实验对多关节柔性下肢外骨骼的实际效果进行了评价,并从质量的角度讨论了所采用的驱动方案的适用条件。
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