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可穿戴型并联式髋关节助力机器人研究

作　者: 梁文渊
导　师: 余永
学　校: 中国科学技术大学
专　业: 检测技术与自动化装置
关键词: 助力机器人并联机构雅克比可操作性假想柔顺控制奇异值随机逼近优化设计
分类号: TP242
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

助力机器人是目前机器人领域研究和发展的一个重要课题,而可穿戴型助力机器人又是使助力机器人走向室外更广阔空间的必要手段之一。可穿戴型助力机器人通过把助力机构穿戴在使用者身上,进而可以辅助使用者,如具有行动困难的老年人或残障人士,可以帮助他们克服困难,实现正常人的日常行动。因此,可穿戴型助力机器人受到领域专家学者的重视。随着现代机器人技术的发展,可穿戴型助力机器人面临巨大的发展挑战与机遇。可穿戴助力机器人的研究囊括了从膝关节助力、髋关节助力,到人体下肢助力、上肢助力,从特定动作如上下楼梯、行走到广泛动作的助力。本论文面向人体髋关节助力,从各个方面讨论了髋关节助力机器人的研究现状和应用需求。以国家“十一五”863服务机器人重点项目“可穿戴型助残助老智能机器人示范平台”为基础,旨在进一步深入研究认识、理解人体助力的基础上,设计和研制出针对人体特定部位髋关节的助力机器人,达到人体髋关节3自由度助力和减轻髋关节负担的目的。本论文的主要研究工作概括如下：基于人体髋关节的解剖结构特征,从机器人学、人体工程学、仿生学的角度,设计和研制了一套新型的髋关节3自由度助力机构。该机构不同于其他髋关节助力机构,它是一个6自由度3UPS并联机构,能够和人体大腿共同完成3自由度的运动。另外为了满足建立人体大腿和助力机构的运动学模型的要求,采用了计算机视觉技术来检测人体髋关节的位置信息；结合串联机构学,构建了人体大腿和UPS支链的运动学模型,并且构建了助力机构的逆运动学雅克比。针对并联机构比较难建立正雅克比的问题,我们从并联机构的几何约束方程出发,通过微分法得到了被动关节和主动关节之间的速度关系,在此基础上提出了新的并联机构正运动学雅克比构建方法；在机构特性方面,无论是串联机构,还是并联机构,都存在机构奇异的问题。目前的机构奇异空间求解往往是通过扫描的方法实现的,求解效率比较低。本文结合随机逼近的思想,利用机构雅克比本身具有的特性,提出了一种新的机构奇异值快速查找算法；助力机构的设计优劣直接影响到助力机构的最终助力结果,但是目前仍然没有有效的方法可以在助力机构的设计优化阶段评价其助力性能。针对该问题,我们从助力机构的本质物理意义出发,从运动学的角度,通过比较人体模型的可操作性椭球和从动助力机构的可操作性椭球,可以评价助力机构的助力可行性和助力效果。该方法有助于提高可穿戴型助力机器人的设计效率,加强其助力性能；助力机构的控制直接影响到助力机构的助力性能。结合助力机构与人体之间的力传感器提供的人机交互信息,我们采用了基于假想柔顺的控制策略。通过仿真实验、基于假肢的实验以及实际人腿实验,验证了该控制策略的可行性。同时也验证了本文提出的并联机构正运动学雅克比建立方法的正确性。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-13
第1章绪论  13-29
  1.1 引言  13-15
    1.1.1 人口老龄化、残疾人现状及其护理现状  13-15
    1.1.2 辅助装置可行性考虑  15
  1.2 可穿戴型助力机器人  15-19
    1.2.1 助力机器人应该遵循的原则  15-16
    1.2.2 可穿戴型助力机器人研究发展  16-19
  1.3 并联机构发展历程  19-23
  1.4 研究现状及论文研究目的、意义  23-27
    1.4.1 髋关节助力研究现状  23-26
      1.4.1.1 助力机构设计  23-24
      1.4.1.2 运动学分析方法  24-25
      1.4.1.3 人体运动意图检测方法  25-26
      1.4.1.4 助力机构控制方法策略  26
    1.4.2 选题的目的和意义  26-27
  1.5 论文内容安排及创新之处  27-29
    1.5.1 论文内容及章节安排  27-28
    1.5.2 主要创新点  28-29
第2章可穿戴型并联式髋关节助力机构设计  29-47
  2.1 引言  29
  2.2 人体髋关节特征分析  29-31
    2.2.1 髋关节特征  29-31
    2.2.2 为什么采用并联机构  31
  2.3 并联助力机器人机械结构设计  31-34
    2.3.1 基本的运动副  32
    2.3.2 并联式髋关节助力机构  32-34
  2.4 基于计算视觉系统的人体髋关节中心位置估计  34-44
    2.4.1 髋关节中心位置的估计方法回顾  35-36
    2.4.2 髋关节模型、基于计算机视觉的定位系统的测量误差以及表面皮肤运动减震器  36-40
    2.4.3 髋关节中心估算方法  40-42
    2.4.4 仿真结果及分析  42-44
  2.5 本章小结  44-47
第3章并联机构雅克比建立方法分析  47-63
  3.1 引言  47
  3.2 位置、方位分析  47-51
    3.2.1 人体大腿与助力机构简化模型  47-49
    3.2.2 从驱动链出发分析模型  49-50
    3.2.3 从人体大腿出发分析模型  50-51
  3.3 运动学逆雅克比  51-54
    3.3.1 球关节轴承中心的位置  51-52
    3.3.2 主动关节与末端之间的速度关系  52-54
    3.3.3 运动学逆雅克比关系  54
  3.4 运动学正雅克比  54-61
    3.4.1 主动关节与被动关节之间的速度关系  56-57
    3.4.2 驱动链末端球关节的速度  57-58
    3.4.3 运动学正雅克比  58-60
    3.4.4 被动关节变量的求解  60-61
  3.5 本章小结  61-63
第4章机构奇异特性分析  63-85
  4.1 引言  63-65
  4.2 机构奇异类型  65-67
  4.3 基于RM算法的奇异值快速查找算法  67-73
    4.3.1 Robbing-Monro(RM)算法  67-68
    4.3.2 扩展的RM算法  68-71
    4.3.3 扩展的RM算法与雅克比矩阵的结合  71-73
  4.4 基于随机逼近的奇异值快速查找算法及应用实例  73-83
    4.4.1 应用于平面2连杆机构  73-76
    4.4.2 应用于平面3-PRR并联机构  76-80
    4.4.3 应用于空间3-PCR并联机构  80-83
  4.5 本章小结  83-85
第5章助力机器人的设计及优化方法  85-129
  5.1 引言  85-86
  5.2 一些重要的新概念  86-89
    5.2.1 主动型主动关节(Master-active joint)及从动型主动关节(Slave-active joint)  88-89
    5.2.2 被助力人体肢体(Assisted limb)及从动助力机构(Slave-active assistevemechanism)  89
  5.3 设计及优化时碰到的问题及助力的物理意义  89-92
    5.3.1 设计及优化时碰到的问题  89-90
    5.3.2 助力的物理意义  90-92
  5.4 可操作性包容原理(Manipulability Inclusive Principle(MIP))  92-94
    5.4.1 可操作性包容原理的定义  93
    5.4.2 关于该定义的一些解释  93-94
  5.5 基于可操作性包容原理的优化设计方法  94-102
    5.5.1 两种模型的可操作性椭球的获得  94-96
    5.5.2 具体算法：助力可行性的评价及判断  96-100
    5.5.3 具体算法：助力效果评价的判断  100-102
  5.6 应用实例一：下肢正向行走助力机构优化设计  102-118
    5.6.1 建立下肢正向行走助力机构的雅克比  102-104
    5.6.2 可操作性包容原理的验证  104-107
    5.6.3 可操作性包容原理在各个包容情况上的体现  107-110
    5.6.4 可操作性包容原理的影响因素的研究  110-113
    5.6.5 基于MIP的下肢正向行走助力机构的优化设计  113-118
  5.7 应用实例二：髋关节3自由度并联助力机构优化设计  118-127
    5.7.1 可操作性包容原理在髋关节助力机构上的适用性证明  119-122
    5.7.2 基于MIP的髋关节3自由度并联助力机构优化设计  122-127
  5.8 本章小结  127-129
第6章髋关节助力机器人控制策略分析及雅克比分析  129-141
  6.1 引言  129-130
  6.2 基于假想柔顺控制方法的控制策略  130-132
  6.3 正运动学雅克比验证  132-140
    6.3.1 控制周期的选择  133-134
    6.3.2 通过仿真验证  134-136
    6.3.3 通过人工假肢验证  136-137
    6.3.4 通过实际人腿验证  137-140
  6.4 本章小结  140-141
第7章总结与展望  141-145
  7.1 总结  141-142
  7.2 展望  142-145
参考文献  145-155
致谢  155-157
攻读博士学位期间的主要研究工作及成果  157

可穿戴型并联式髋关节助力机器人研究

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