基于PRBA模型的外骨骼式人機(jī)攜行運(yùn)載系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性研究.pdf

1、外骨骼技術(shù)是近年來(lái)智能機(jī)器人學(xué)科研究的重要熱點(diǎn)之一。外骨骼最初來(lái)源于人類(lèi)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(hù)防御作用。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，為外骨骼配備動(dòng)力系統(tǒng)，使其在保護(hù)人類(lèi)的同時(shí)能夠分擔(dān)人體從事各項(xiàng)活動(dòng)時(shí)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(guān)節(jié)系統(tǒng)為之配備相應(yīng)的金屬外骨骼，使負(fù)重主要通過(guò)外骨骼傳遞至地面;通過(guò)將外骨骼穿戴于人體，融合二者為人機(jī)耦合系統(tǒng)，在機(jī)械、動(dòng)力和控制系統(tǒng)的協(xié)同

2、工作下，提高人體運(yùn)動(dòng)時(shí)的負(fù)重能力，增強(qiáng)人的耐力，這就是人機(jī)攜行運(yùn)載系統(tǒng)。此系統(tǒng)可有效的解決軍事和民用領(lǐng)域中日益增長(zhǎng)的負(fù)荷與人體承載能力有限之間的矛盾。目前包括美國(guó)、日本和俄羅斯等國(guó)在內(nèi)的多家科研機(jī)構(gòu)和高等院校均將外骨骼技術(shù)列為重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容，其中就包括全球著名的Lockheed Martin公司。
　　論文從人機(jī)耦合模型、外骨骼運(yùn)動(dòng)學(xué)分析、多自由度振動(dòng)響應(yīng)研究、人體非線性運(yùn)動(dòng)特征函數(shù)建模和完整約束的多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真五方面對(duì)外骨骼

3、式人機(jī)攜行系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)開(kāi)展了以下研究工作:
　　(1)基于生物力學(xué)和人機(jī)工程學(xué)理論，論文提出了人機(jī)耦合的概念，在人機(jī)工程參數(shù)、關(guān)節(jié)自由度的設(shè)置與約束和動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)三個(gè)方面對(duì)人機(jī)耦合進(jìn)行了初步的探索，建立了以最小功能尺寸參數(shù)為目標(biāo)的外骨骼參數(shù)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型;同時(shí)以外骨骼的垂向承載功能要求為基礎(chǔ)，選擇液壓系統(tǒng)模式作為外骨骼的動(dòng)力系統(tǒng)，建立了外骨骼的系統(tǒng)動(dòng)力模型;
　　(2)論文確定了人主機(jī)輔的人機(jī)攜行運(yùn)載系統(tǒng)的工作模式，

4、并針對(duì)外骨骼固有的機(jī)械運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，提出了外骨骼的PRBA運(yùn)動(dòng)模型;基于多剛體平面運(yùn)動(dòng)分析理論，在人體矢狀面內(nèi)建立“蹲起”、“單膝跪”和“行走”姿態(tài)的牽連運(yùn)動(dòng)和相對(duì)運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方程，利用基點(diǎn)合成法確定外骨骼各構(gòu)件的空間運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型;
　　(3)論文針對(duì)人機(jī)攜行運(yùn)動(dòng)速度的提升導(dǎo)致沖擊和振動(dòng)現(xiàn)象的發(fā)生，提出了將多自由度振動(dòng)分析理論應(yīng)用于外骨骼研究的思路，并在髖關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)處設(shè)計(jì)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(yùn)動(dòng)微分方

5、程，通過(guò)MATLAB仿真獲得外加簡(jiǎn)諧激勵(lì)的輸出響應(yīng)特性;基于剛?cè)狁詈侠碚?，運(yùn)用ANSYS有限元分析軟件，對(duì)背負(fù)系統(tǒng)進(jìn)行了強(qiáng)度和剛度分析，以及外骨骼整體結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析;
　　(4)論文采用MOCAP動(dòng)作捕捉系統(tǒng)，以各關(guān)節(jié)角度變化量作為模型的輸入?yún)⒘?，重塑人體典型運(yùn)動(dòng)姿態(tài)模型;以INVSPOLY函數(shù)為基函數(shù)，結(jié)合有限元分析理論，通過(guò)區(qū)域劃分和區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)循環(huán)運(yùn)算的方法，將改進(jìn)后的移動(dòng)最小二乘法用于將角度變化中的非線性函數(shù)關(guān)系轉(zhuǎn)換為線性關(guān)

6、系;以每個(gè)區(qū)域內(nèi)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(zhǔn)則，建立典型運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的以角度變化為變量的空間運(yùn)動(dòng)函數(shù)關(guān)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(jī)耦合為基礎(chǔ)，建立外骨骼整體結(jié)構(gòu)的完整約束多剛體系統(tǒng)模型;并以各關(guān)節(jié)角度為廣義坐標(biāo)，以液壓缸的支撐力為廣義輸出量，基于D'Alembert-Lagrange動(dòng)力學(xué)分析理論，建立外骨骼系統(tǒng)的Lagrange動(dòng)力學(xué)方程組;選擇“蹲起”姿態(tài)作為仿真對(duì)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(biāo)，運(yùn)用MATLAB編程進(jìn)行仿真研究，獲得各關(guān)節(jié)的彎矩時(shí)域特性曲線，可為動(dòng)力系統(tǒng)的能量設(shè)計(jì)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(chǔ);最后通過(guò)對(duì)外骨骼原理樣機(jī)的應(yīng)變測(cè)試試驗(yàn)和試驗(yàn)結(jié)果與有限元分析結(jié)果對(duì)比的殘差分析，驗(yàn)證了原理樣機(jī)的強(qiáng)度可靠性。
　　通過(guò)對(duì)以上各項(xiàng)外骨骼關(guān)鍵技術(shù)的理論研究，論文定義了人機(jī)耦合的概念，建立了以垂向承載為目標(biāo)、以人機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)為約束條件的基于人機(jī)耦合的設(shè)計(jì)模型，并

8、通過(guò)創(chuàng)建外骨骼PRBA運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型，解決了外骨骼的建模難題和人機(jī)分離研究的問(wèn)題;運(yùn)用多自由度振動(dòng)分析理論和剛?cè)狁詈侠碚?，建立外骨骼多關(guān)節(jié)的多自由度運(yùn)動(dòng)微分方程和有限元模態(tài)分析模型，解決了外骨骼結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)、動(dòng)力系統(tǒng)精確設(shè)計(jì)與人機(jī)攜行系統(tǒng)高頻運(yùn)動(dòng)、大負(fù)重功能要求之間的矛盾;建立外骨骼整體結(jié)構(gòu)的完整約束多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析模型，并以運(yùn)用MOCAP動(dòng)作捕捉系統(tǒng)獲取、且經(jīng)過(guò)改進(jìn)后的移動(dòng)最小二乘法非線性變換、最終建立的典型運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的以角度變化為

9、變量的空間運(yùn)動(dòng)函數(shù)關(guān)系為約束條件，獲得外骨骼各關(guān)節(jié)點(diǎn)的驅(qū)動(dòng)力矩的精確解，解決了以往研究中存在的動(dòng)力系統(tǒng)需提供的動(dòng)態(tài)輸出認(rèn)識(shí)模糊、控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)隨動(dòng)控制策略缺乏建模基礎(chǔ)理論、外骨骼結(jié)構(gòu)局部?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)缺乏實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)載荷譜等相關(guān)問(wèn)題。論文部分研究成果已經(jīng)應(yīng)用于西南交通大學(xué)作為主研單位承擔(dān)的“單兵外骨骼助力系統(tǒng)原理樣機(jī)研制”項(xiàng)目中，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)攜行運(yùn)載系統(tǒng)大負(fù)荷承載、人機(jī)運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)、高效的動(dòng)力系統(tǒng)輸出特性等關(guān)鍵技術(shù)的突破，為外骨骼關(guān)鍵技術(shù)的研究提供了有益