外骨骼人机耦合动力学建模与人主机辅协同控制方法研究

The wearable exoskeleton is applied in highland and mountain area task of soldier, walk-aid of disabled person, motion rehabilitation of hemiplegia. However, there exist some problems such as the poor human-machine coupling effect, the low accuracy of human-machine system model, the defect of control strategy which cannot obviously reduce the human-machine impedance. Therefore, the human comfort is poor and the force-aid efficiency is low. To solve these problems and obtain a coupling control technique to improve the flexibility of exoskeleton with high force-aid efficiency, this project proposes and solves 3 science problems: the best coupling position design and optimization of the human-machine with flexible characteristic, the coupling dynamics of human-machine model under human arbitrary motion, the human-machine coupling control method under parametric uncertainty, model error, dynamic disturbance. This technique can improve the flexibility of solider under overload-carrying task and the people's suitability with different style. This technique can promote the upgrade of enlisted intelligent transportation equipment in our country to improve the load ability of solider under highland march and the capability of transporting martial material to front line under special war. In addition, this technique will apply in medical exoskeleton and reduce the human-machine impedance of hemiplegia under the motion rehabilitation by exoskeleton, which denotes the important medical value.

可穿戴式外骨骼主要用于单兵负荷机动作业、残疾人辅助行走、偏瘫患者运动康复等领域。现有外骨骼技术存在着人机耦合效果差、复杂人机系统建模的准确性不高、控制策略减小人机阻抗的能力不足等问题，导致人穿戴舒适性较差且外骨骼助力效率偏低。为了解决这些问题，并最终形成一套外骨骼灵活机动与高效助力兼备的人机耦合控制技术，本项目提出并将解决以下3个科学问题：(1)刚柔耦合的人机系统最佳耦合点位置设计与优化；(2)考虑人运动随意性的人机耦合动力学建模；(3)存在参数不确定性、建模误差、动态干扰条件下人主机辅随动控制方法。该技术能够提高士兵负荷作业的机动性和外骨骼对不同运动风格人群的适用性，有望推动我国士兵智能化运输装备的升级，增强高原行军负荷能力以及特种作战和抗险救援时前线的物资运送能力。本研究成果也能拓展到医学领域，减小偏瘫病患者在外骨骼辅助康复运动中的人机阻碍，具有重要的医学应用价值。

本项目针对盘式电机驱动2自由度下肢外骨骼的模型辨识与主被动控制方法展开研究，突破了4个关键技术：1）提出了一种下肢外骨骼的新模型，同时考虑了人类和机器人的动力学及其耦合效应，人与外骨骼的相互作用被建模为线性阻尼弹簧。 在人类关节扭矩中，采用饱和函数表示佩戴者肌肉功能的丧失，使该模型适用于健康或不健康的佩戴者，并通过将其响应与实验外骨骼的结果进行比较来验证该理论模型。该验证模型被认为是分析人-外骨骼耦合动力学的基础，在此基础上优化外骨骼的控制算法，分析人体性能的改进，设计舒适的人-外骨骼交互。2）将外骨骼拉格朗日模型进行参数化建模，并采用基于邻近域优化的参数辨识技术，对转动惯量矩阵、科里奥利项、重力项中的不确定参数进行辨识，获得比较准确的拉格朗日模型；3）针对“人主机辅”模式，外骨骼采用变导纳主动控制技术，通过实测的人机阻抗力生成期望的关节位移指令，并利用反步自适应控制技术实现当前关节位移的跟踪；4）针对“机主人辅”模式，外骨骼采用多种控制技术，如自适应鲁棒控制技术、PID控制技术等，实现当前关节位移跟踪预定的关节指令；.本项目分别开发了单腿2-DOF下肢外骨骼和双腿4-DOF外骨骼样机，分别模拟了人体单腿和双腿行走运动步态，外骨骼关节角度控制误差小于2度，人机阻抗力小于10牛。负责人团队获2020年四川省科技进步三等奖1项（第一完成单位），中国机械工业科学技术二等奖1项（第一完成单位），获中国核心期刊《液压与气动》优秀论文一等奖。发表学术论文24篇，其中SCI二区以上的期刊10篇，申请发明专利7项，其中授权5项。作国际会议大会主题报告2次、特邀报告5次。培养硕士研究生9人，博士研究生1人。其中1名研究生获“成电杰出学生”荣誉称号，1名博士生获学术会议最佳论文奖，3名研究生获校优秀硕士学位论文。