基于人體能量流動特性的外骨骼低能耗驅(qū)動關節(jié)的研究.pdf

1、如今，很多前沿的穿戴式下肢骨骼服能夠滿足人體的助力行走需求，在工程領域體現(xiàn)出重大的應用價值，但外骨骼機器人在運行過程中會消耗大量的能量，能源是制約外骨骼技術發(fā)展的主要因素之一，研究節(jié)能技術是提高外骨骼機器人續(xù)航能力的重要途徑。
　　在生物學研究領域發(fā)現(xiàn)，人體在運動過程中，各關節(jié)的能耗不是一成不變的，而是具有流動特性，基于此，本文從研究人體運動過程入手，揭示肢體間能量流動的規(guī)律，進而獲悉各關節(jié)在此過程中所表現(xiàn)出的特性，以此建立人體關

2、節(jié)能量流動模型，從而指導外骨骼關節(jié)的優(yōu)化設計和驅(qū)動方法，提高外骨骼的能量利用效率，為提升外骨骼續(xù)航能力的研究奠定基礎。
　　首先，分析了人體關節(jié)的幾何參數(shù)，建立人體五桿模型的運動學和動力學方程，利用運動捕捉系統(tǒng)及捷聯(lián)慣導采集人體運動信息，求解不同運動速度下各關節(jié)的驅(qū)動力矩及功率，并通過三維力臺系統(tǒng)的對比實驗驗證了求解結(jié)果的正確性?；诖?，建立了人體各桿件及關節(jié)的能量流動方程，得到人體運動過程中能量的流動特性。
　　然后，基于

3、上述能量流動特性，分析得到運動關節(jié)的力學特性，結(jié)合主-被動力并聯(lián)驅(qū)動關節(jié)的約束方程，建立了系統(tǒng)能耗模型。接著以膝關節(jié)為研究對象，基于系統(tǒng)能耗模型建立其能耗優(yōu)化目標函數(shù)及約束條件，應用結(jié)合卡爾曼濾波的改進遺傳算法，對膝關節(jié)負荷分配進行了研究，建立了以能耗最優(yōu)為目的的關節(jié)力矩解耦算法。
　　最后，搭建了直線電機對頂平臺，進行了節(jié)能效果對比實驗，實驗結(jié)果驗證了關節(jié)力矩解耦算法對于能耗優(yōu)化的可用性。在此基礎上，進行了外骨骼服助力奔跑實驗，