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信息与控制 2022年第3期51卷 288-297页

作者：徐克锋蒋近季心宇李鹏飞孙健铨湘潭大学自动化与电子信息学院湖南湘潭411105 中国科学院深圳先进技术研究院广东省机器人与智能系统重点实验室广东深圳518055

针对腰部外骨骼机器人线性自抗扰控制器参数难以调整的问题,本文提出一种基于天牛须搜索的改进粒子群算法(PSO)。建立腰部外骨骼机器人模型,采用线性自抗扰控制器,进一步引入改进的PSO对其进行参数优化。该算法通过混沌初始化种群,提高... 详细信息

针对腰部外骨骼机器人线性自抗扰控制器参数难以调整的问题,本文提出一种基于天牛须搜索的改进粒子群算法(PSO)。建立腰部外骨骼机器人模型,采用线性自抗扰控制器,进一步引入改进的PSO对其进行参数优化。该算法通过混沌初始化种群,提高粒子执行效率;采用非线性策略调整惯性因子和学习因子,加强粒子的搜索能力;引入天牛须搜索算法与PSO结合,并采用自适应权重,使得粒子可对周边环境进行较好地判断,避免粒子陷入局部最优。分别通过6个测试函数和建立系统评价指标进行仿真实验,结果表明所提出的算法有更好的收敛精度,优化后的控制器具有更好的控制性能。

关键词：腰部外骨骼机器人线性自抗扰控制粒子群算法天牛须搜索算法参数优化

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腰部外骨骼机器人的绑缚系统设计

腰部外骨骼机器人的绑缚系统设计

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作者：罗文雪四川大学

学位级别：硕士

外骨骼机器人是一种可穿戴的机械设备,穿戴在使用者身体外部,跟人体同步运动,可以为穿戴者提供身体保护、支撑以及额外的动力,通常用于辅助穿戴者完成运动或增强穿戴者的身体机能,在工业、医疗、军事等多领域均有应用前景。绑缚系统是... 详细信息

外骨骼机器人是一种可穿戴的机械设备,穿戴在使用者身体外部,跟人体同步运动,可以为穿戴者提供身体保护、支撑以及额外的动力,通常用于辅助穿戴者完成运动或增强穿戴者的身体机能,在工业、医疗、军事等多领域均有应用前景。绑缚系统是将外骨骼穿戴在人体表面并保持人机同步运动的连接结构,起着将外骨骼的助力由机械结构传递到人体的重要作用,影响着外骨骼和人的运动匹配性,进而影响外骨骼的穿着舒适度以及助力效率。本文聚焦有源腰部助力外骨骼的绑缚系统设计,结合工业设计、人体解剖学、人体运动学、人机工程学、纺织学等学科的知识,通过对外骨骼结构、助力方式的分析,提出绑缚系统的设计原则和设计要素,并分别讨论几类设计要素在实际设计时需关注的具体要点。最后针对一款实际项目中的腰部外骨骼进行绑缚系统的设计,设计完成后制作出样机,并通过对比实验来对设计进行验证。本文主要的研究内容包含以下几点:（1）有源外骨骼绑缚系统的设计要求研究:对腰部外骨骼机器人、外骨骼绑缚系统以及对绑缚系统设计具有参考意义的医疗康复护具、运动护具的发展现状进行解析,结合腰部外骨骼的助力方式,探究绑缚系统的设计原则,并在此基础上探讨绑缚系统的设计要素,将其分为功能性、舒适性和便捷性三类。（2）有源外骨骼绑缚系统设计关注点研究:研究提升绑缚系统功能性、舒适性和便捷性的具体方法,讨论针对此三要素,在设计过程中的具体关注要点。功能性关注与人体的运动匹配、产品质量与寿命、力传递效率、规范搬举动作等问题,对人体关节的活动范围、外骨骼常用材料的特性、施加助力的部位、搬举姿态等进行了讨论;舒适性主要研究压力舒适度、透气性、重量分配等问题,对轻量化设计方法、人体体表特征、承压身体部位、织物透气吸湿性、人体汗腺分布、外骨骼配重分布等进行了讨论;便捷性关注绑缚点位数量、绑缚连接及调节方式等问题,对绑缚数量选取、不同连接件特点等进行了讨论。（3）有源外骨骼绑缚系统设计:将功能性、舒适性和便捷性的设计关注点依据腰部助力外骨骼机器人的绑缚结构进行划分,归纳为刚性背板和柔性绑缚部件的形态尺寸、结构、选用材料、绑缚的位置和数量以及连接件的选用等方面,并从此处入手,对一款实际课题中的腰部助力外骨骼机器人的绑缚系统（主要包含刚性背板和柔性绑缚部件）进行设计。（4）腰部外骨骼绑缚系统设计验证:绑缚系统设计完成后,制作出样机进行小范围测试,从功能性、舒适性和便捷性三方面对腰部外骨骼绑缚系统进行设计有效性验证。由于各类外骨骼机器人的绑缚系统设计存在相似性,本文的研究结果还能为后续其他种类外骨骼的绑缚系统设计提供一套可供参考的研究方法与设计思路。

关键词：腰部外骨骼机器人绑缚系统功能性舒适性便捷性

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腰部外骨骼机器人的搬运助力性能研究

腰部外骨骼机器人的搬运助力性能研究

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作者：赵春玉大连交通大学

学位级别：硕士

当前社会,存在着人口老龄化加剧、劳动力短缺与社会医疗资源不足等问题,外骨骼机器人可以给人提供额外的动力,有效增强人体的运动能力,一定程度上解决以上的问题,这让外骨骼机器人成为当前国内外学者研究的重要方向。在目前的很多职业中... 详细信息

当前社会,存在着人口老龄化加剧、劳动力短缺与社会医疗资源不足等问题,外骨骼机器人可以给人提供额外的动力,有效增强人体的运动能力,一定程度上解决以上的问题,这让外骨骼机器人成为当前国内外学者研究的重要方向。在目前的很多职业中,许多人需要进行高强度、高频次的搬运活动,如快递员、仓库工人、流水线工人,频繁的弯腰和过量的负载使他们的腰部承受极大的负担,容易患腰部肌肉骨骼疾病,穿戴腰部外骨骼对他们的搬运动作进行辅助,能够提高他们搬运的能力,降低工作中的风险,减少穿戴者患腰部肌肉骨骼疾病的概率。设计一种腰部外骨骼机器人,穿戴在人体的腰部,旨在提高人体搬运的能力,保护穿戴者的腰部肌肉和骨骼,提升搬运效能和工作效率。本文的主要内容如下:(1)人体搬运重物的运动特性。人体在搬运重物时,脊椎在矢状面进行55°～75°的屈曲和伸展运动,在水平面进行5°～7°的旋转运动,在冠状面进行20°的侧屈运动,运动特性的分析为腰部外骨骼机器人的结构设计和仿生控制提供理论依据。(2)腰部外骨骼机器人的结构设计。按照轻量化原则、人机工程原则、安全可靠性原则和应用性原则,采用主动式柔性腰部外骨骼机器人为设计方案,对照中国成年人的人体尺寸数据,进行腰部外骨骼机器人的结构设计,确定了腰部外骨骼机器人由气动人工肌肉驱动。(3)腰部外骨骼机器人的仿生控制。按照气动人工肌肉的运动特性,确定了腰部外骨骼机器人的控制策略,根据人体搬运重物的运动特征,将搬运过程划分为站立、弯腰、弯腰静止、起身、恢复站立,确定了腰部外骨骼机器人的控制过程,完成腰部外骨骼机器人的模糊PID控制设计。(4)腰部外骨骼机器人的建模与仿真。使用虚拟仿真软件建立腰部外骨骼机器人的人机穿戴模型,进行动态仿真,对比分析未穿戴腰部外骨骼机器人和穿戴腰部外骨骼机器人的腰部受力情况,研究腰部外骨骼机器人的助力性能,为腰部外骨骼机器人的优化改进提供依据。

关键词：腰部外骨骼机器人气动人工肌肉搬运助力仿生控制

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腰部外骨骼机器人助力控制方法研究及应用

腰部外骨骼机器人助力控制方法研究及应用

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作者：徐克锋湘潭大学

学位级别：硕士

近来研究报告表明,肌肉骨骼疾病是当前最常见的疾病。腰部外骨骼机器人是一种可穿戴在人体上的新型辅助设备,可以给腰部提供助力,穿戴它有助于减缓肌肉骨骼疾病,减缓腰肌劳损,还可对人行走进行助力,减少人行走时的能量损耗。为了减少传... 详细信息

近来研究报告表明,肌肉骨骼疾病是当前最常见的疾病。腰部外骨骼机器人是一种可穿戴在人体上的新型辅助设备,可以给腰部提供助力,穿戴它有助于减缓肌肉骨骼疾病,减缓腰肌劳损,还可对人行走进行助力,减少人行走时的能量损耗。为了减少传感器来降低成本,本文仅从双编码器角度设计一个腰部外骨骼机器人控制系统,可对穿戴者起身和行走进行助力。本文主要工作如下:(一)对人的行走和弯腰起身进行生物力学分析和确定助力阶段,分别建立相关简化的动力学模型,然后搭建腰部外骨骼机器人硬件系统和介绍相关硬件,接着提出一种只用髋关节处的两个编码器来对应用场合所需的状态(站立状态、行走状态和弯腰起身状态)进行区分的方法,通过编码器采集位置、速度信息以及生成相角的信息设计一个有限状态机,在该状态机下进行不同助力。(二)针对人搬起重物对起身助力产生干扰的问题,设计线性自抗扰控制器(Linear Active Disturbance Rejection Control,LADRC),在仿真中与PID和滑模控制器(Sliding Mode Control,SMC)对比验证LADRC的性能。基于人工参数整定费时的问题,提出采用改进的粒子群-天牛须(Particle Swarm OptimizationBeetle Antennae Search Algorithm,PSO-BAS)优化算法对线性自抗扰控制器的参数优化,对原始的粒子群进行混沌初始化筛选较优粒子来提高算法的执行效率、采用非线性惯性因子和学习因子来平衡粒子的全局和局部搜索能力、融合天牛须搜索算法增加粒子对周围环境的判断能力,以此避免陷入局部最优,接着通过测试函数实验,然后建立系统评价指标,最后在仿真中验证。基于实际工况及扰动问题,提出一种基于最小二乘法的滑模自抗扰控制器(SMC-TDLADRC),用最小二乘法拟合人弯腰时的轨迹来反向生成起身时的轨迹,在LADRC中加入跟踪微分器(Tracking Differentiator,TD)和融合SMC控制律提升系统性能,并与LADRC和TDLADRC的产生的轨迹进行比较。(三)针对行走时的非周期助力和及时助力的问题,提出了基于改进Hopf振荡器并利用相角进行行走助力。通过Hopf振荡器、Matsuoka振荡器和Rayleigh振荡器的对比选择,基于Hopf振荡器参数少、结构简单的优点,选择使用Hopf振荡器用与行走控制。对原始Hopf振荡器引入学习方程形成反馈,可学习人行走的状态,在人腿处于摆动项时及时进行助力,对其进行了改进加入相角,解决了在Hopf极限环内不能助力的问题(即在人行走的第一次抬脚),并通过仿真验证实物实验可行性。(四)为验证所提方法的有效性,本文分别从状态机状态的识别、起身助力以及行走助力进行了实验。为了评估助力效果,先进行肌电设备选取,选择Delsys无线肌电设备,通过该设备采集人体腰部和腿部表面肌电信号(Surface Electromyography,s EMG)并进行滤波,最后通过均方根值(Root Mean Square,RMS)方法和积分肌电值(Integrated Electromyography,i EMG)方法进行助力评估。

关键词：腰部外骨骼机器人线性自抗扰控制器 PSO-BAS优化算法 Hopf振荡器

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基于多刚-柔体动力学的腰部外骨骼机器人综合性能优化

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天津理工大学学报 2024年

作者：周祖意杨玉维齐文耀天津理工大学天津市先进机电系统设计与智能控制重点实验室天津理工大学机电工程国家级实验教学示范中心

针对腰部疾病的防治与后期康复治疗的需求，提出一种基于人体生物力学仿生特性的新型外骨骼机器人人-机并联研究原型。为提高外骨骼运动承载性与穿戴舒适性，在搭建外骨骼矢状面上多刚-柔体动力学模型的基础上，通过粒子群算法，深入开... 详细信息

针对腰部疾病的防治与后期康复治疗的需求，提出一种基于人体生物力学仿生特性的新型外骨骼机器人人-机并联研究原型。为提高外骨骼运动承载性与穿戴舒适性，在搭建外骨骼矢状面上多刚-柔体动力学模型的基础上，通过粒子群算法，深入开展人机并联系统的综合动态性能优化。仿真数据表明，穿戴外骨骼后人体等效受力明显降低，外骨骼优化后其穿戴舒适性获得明显改善，从而说明了外骨骼机器人具有较好的综合动态性能，以及外骨骼综合性能优化的合理有效性。

关键词：腰部外骨骼机器人人-机并联研究原型多体动力学综合动态性能优化

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