背带式上肢助力外骨骼设计与控制

作     者：解利 

作者单位：西安工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：尚雅层

授予年度：2024年

学科分类：080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0804[工学-仪器科学与技术] 0802[工学-机械工程] 

主      题：上肢助力 无源外骨骼 有源外骨骼 结构设计 控制系统 

摘      要：在物流业中快递分拣、灾难救援中物资运送、军事中炮弹填充和弹药搬运等领域,存在大量完全依靠人力搬运的现象。这种长时间、重复和高负荷的工作容易导致从业人员的肌肉疲劳和关节损伤,从而造成工作效率的下降。为了解决这些问题,本文设计了两种外骨骼装置:一种是无源上肢助力外骨骼,利用卷簧驱动,通过柔性背带传递驱动力,在搬运10kg以下的货物时提供助力,轻便易穿戴;另一种是有源上肢助力外骨骼,针对搬运10kg以上20kg以下的货物,采用电机驱动,同样通过柔性背带传递驱动力,并能够感知搬运者的意图,实时对上肢提供助力。背带式上肢助力外骨骼主要研究工作如下: (1)根据人体上肢手臂肘关节特征,用D-H法得出搬运时手臂的运动空间。提出一种使用柔性背带传递驱动力的助力方案,并对其助力效率进行分析。 (2)针对10kg以下的搬运任务,设计了一种无源外骨骼结构,使用卷簧齿轮机构通过驱动背带为手臂提供助力。然后对其关键部件进行静力学和动力学仿真,验证其机械结构强度和可供力矩大小,最后完成实物制作。而对于10kg至20kg的搬运任务,采用更强劲的电机代替卷簧,并对外骨骼驱动结构进行优化。同样,对有源外骨骼的关键部件进行了静力学和动力学仿真以验证设计的可靠性,最终完成实物制作。 (3)设计有源外骨骼的控制系统,采用上下分层控制方案,类似于“人脑-脊髓的结构。在上层,通过多传感器数据采集器采集人体数据,随后将其输入到长短期记忆(LSTM)算法中,以识别进行的搬运动作。而在下层,借鉴脊髓的控制原理,应用PID算法对电机进行控制。该系统能够根据识别的搬运动作,实时调节电机力矩,以确保外骨骼为人体提供所需的辅助力。 (4)搭建外骨骼测试实验平台,分别对穿戴无源外骨骼/未穿外骨骼搬运10kg以内重物和对穿戴有源外骨骼/未穿外骨骼搬运10kg以上20kg以内重物,进行持重搬运、重复搬运和持重站立实验,对比测试人员手臂肌电信号幅值和手臂肘关节角度标准差,对两种上肢外骨骼的助力功能进行实验验证。通过实验数据分析可知,这两种外骨骼均能有效缓解手臂肌肉疲劳,并且维持搬运时身体的稳定性。