基于PRBA模型的外骨骼式人機攜行運載系統(tǒng)動態(tài)特性研究.pdf

1、外骨骼技術是近年來智能機器人學科研究的重要熱點之一。外骨骼最初來源于人類的仿生技能，諸如頭盔、鎧甲等是最基本的人體外骨骼，只有保護防御作用。隨著科學技術的進步，為外骨骼配備動力系統(tǒng)，使其在保護人類的同時能夠分擔人體從事各項活動時所承受的外載荷，因此現(xiàn)代意義上的外骨骼的概念就是模擬人體的骨骼、肌肉和關節(jié)系統(tǒng)為之配備相應的金屬外骨骼，使負重主要通過外骨骼傳遞至地面;通過將外骨骼穿戴于人體，融合二者為人機耦合系統(tǒng)，在機械、動力和控制系統(tǒng)的協(xié)同

2、工作下，提高人體運動時的負重能力，增強人的耐力，這就是人機攜行運載系統(tǒng)。此系統(tǒng)可有效的解決軍事和民用領域中日益增長的負荷與人體承載能力有限之間的矛盾。目前包括美國、日本和俄羅斯等國在內的多家科研機構和高等院校均將外骨骼技術列為重點研究內容，其中就包括全球著名的Lockheed Martin公司。
　　論文從人機耦合模型、外骨骼運動學分析、多自由度振動響應研究、人體非線性運動特征函數(shù)建模和完整約束的多剛體系統(tǒng)動力學仿真五方面對外骨骼

3、式人機攜行系統(tǒng)中的關鍵技術開展了以下研究工作:
　　(1)基于生物力學和人機工程學理論，論文提出了人機耦合的概念，在人機工程參數(shù)、關節(jié)自由度的設置與約束和動力系統(tǒng)的設計三個方面對人機耦合進行了初步的探索，建立了以最小功能尺寸參數(shù)為目標的外骨骼參數(shù)化設計的數(shù)學模型;同時以外骨骼的垂向承載功能要求為基礎，選擇液壓系統(tǒng)模式作為外骨骼的動力系統(tǒng)，建立了外骨骼的系統(tǒng)動力模型;
　　(2)論文確定了人主機輔的人機攜行運載系統(tǒng)的工作模式，

4、并針對外骨骼固有的機械運動特點，提出了外骨骼的PRBA運動模型;基于多剛體平面運動分析理論，在人體矢狀面內建立“蹲起”、“單膝跪”和“行走”姿態(tài)的牽連運動和相對運動的運動方程，利用基點合成法確定外骨骼各構件的空間運動數(shù)學模型;
　　(3)論文針對人機攜行運動速度的提升導致沖擊和振動現(xiàn)象的發(fā)生，提出了將多自由度振動分析理論應用于外骨骼研究的思路，并在髖關節(jié)和踝關節(jié)處設計了兩種二系懸掛彈性阻尼系統(tǒng)模型，建立了各系統(tǒng)的多自由度運動微分方

5、程，通過MATLAB仿真獲得外加簡諧激勵的輸出響應特性;基于剛柔耦合理論，運用ANSYS有限元分析軟件，對背負系統(tǒng)進行了強度和剛度分析，以及外骨骼整體結構的模態(tài)分析;
　　(4)論文采用MOCAP動作捕捉系統(tǒng)，以各關節(jié)角度變化量作為模型的輸入參量，重塑人體典型運動姿態(tài)模型;以INVSPOLY函數(shù)為基函數(shù)，結合有限元分析理論，通過區(qū)域劃分和區(qū)域內節(jié)點循環(huán)運算的方法，將改進后的移動最小二乘法用于將角度變化中的非線性函數(shù)關系轉換為線性關

6、系;以每個區(qū)域內的數(shù)據(jù)誤差平方和最小化作為數(shù)據(jù)擬合誤差判別準則，建立典型運動姿態(tài)的以角度變化為變量的空間運動函數(shù)關系;
　　(5)按照外骨骼依附于人體而存在的模式，論文提出了以人機耦合為基礎，建立外骨骼整體結構的完整約束多剛體系統(tǒng)模型;并以各關節(jié)角度為廣義坐標，以液壓缸的支撐力為廣義輸出量，基于D'Alembert-Lagrange動力學分析理論，建立外骨骼系統(tǒng)的Lagrange動力學方程組;選擇“蹲起”姿態(tài)作為仿真對象，將該姿態(tài)

7、的非線性曲線擬合賦以系統(tǒng)中的廣義坐標，運用MATLAB編程進行仿真研究，獲得各關節(jié)的彎矩時域特性曲線，可為動力系統(tǒng)的能量設計和傳感、控制系統(tǒng)的策略研究提供可靠的和有益的理論基礎;最后通過對外骨骼原理樣機的應變測試試驗和試驗結果與有限元分析結果對比的殘差分析，驗證了原理樣機的強度可靠性。
　　通過對以上各項外骨骼關鍵技術的理論研究，論文定義了人機耦合的概念，建立了以垂向承載為目標、以人機協(xié)調運動為約束條件的基于人機耦合的設計模型，并

8、通過創(chuàng)建外骨骼PRBA運動數(shù)學模型，解決了外骨骼的建模難題和人機分離研究的問題;運用多自由度振動分析理論和剛柔耦合理論，建立外骨骼多關節(jié)的多自由度運動微分方程和有限元模態(tài)分析模型，解決了外骨骼結構輕量化設計、動力系統(tǒng)精確設計與人機攜行系統(tǒng)高頻運動、大負重功能要求之間的矛盾;建立外骨骼整體結構的完整約束多剛體系統(tǒng)動力學分析模型，并以運用MOCAP動作捕捉系統(tǒng)獲取、且經過改進后的移動最小二乘法非線性變換、最終建立的典型運動姿態(tài)的以角度變化為

9、變量的空間運動函數(shù)關系為約束條件，獲得外骨骼各關節(jié)點的驅動力矩的精確解，解決了以往研究中存在的動力系統(tǒng)需提供的動態(tài)輸出認識模糊、控制系統(tǒng)實時隨動控制策略缺乏建模基礎理論、外骨骼結構局部優(yōu)化設計缺乏實時動態(tài)載荷譜等相關問題。論文部分研究成果已經應用于西南交通大學作為主研單位承擔的“單兵外骨骼助力系統(tǒng)原理樣機研制”項目中，實現(xiàn)了人機攜行運載系統(tǒng)大負荷承載、人機運動協(xié)調、高效的動力系統(tǒng)輸出特性等關鍵技術的突破，為外骨骼關鍵技術的研究提供了有益