生物融合式外骨骼助老机器人型综合及其构型优化研究

According to the drive capability of different human body，a human-machine bio-syncretic exoskeleton closed-loop mechanism composed of human body and machine is proposed to develop robots for the aged.The bio-syncretic exoskeleton can give full play to the initiative and flexibility of the human body for it's a necessary part of the mechanism. The position and orientation of the bio-syncretic exoskeleton are decided by the the inputs of mechanical mechanism and human mechanism,such construction improves the safety of human body in the system ，the design of bio-syncretic exoskeleton reflects the people-oriented design philosophy.Based on human anatomy and biological mechanics the human mechanism model of the aged at different health status;Different bio-syncretic exoskeletons of the human body would be got based on the constraint screw theory,and they would be optimized based on their kinematics and dynamics model established on the influence coefficient and screw theory. Bio-syncretic exoskeleton of high performance would be used to develop robot for the aged.The project explores the type synthesis and configuration optimization theory of the bio-syncretic exoskeleton which can develop the initiative and enthusiasm of the aged in the athletic process, and it has important guiding significance in the research of man-machine closed-loop mechanism and the development of the robot for the aged.

针对老年人人体具有一定驱动能力的特点，提出了由人体和机械共同构成的人机闭环生物融合式外骨骼机构类型，并将其用于助老机器人研究。生物融合式外骨骼将人体机构作为其必要组成部分，可充分发挥人体机构特有的能动性和灵活性。由于生物融合式外骨骼的确定运动需要机械和人体的共同作用来实现，有效提高了运动过程中人体的安全性，从机构层面做到以人为本。项目基于人体解剖学、生物力学知识，建立不同健康水平老年人的人体机构模型；结合约束螺旋综合法综合得到不同生物融合式人体四肢外骨骼构型，基于影响系数法和螺旋理论建立其运动学、动力学模型，并对其构型进行优化设计；应用性能优良的生物融合式外骨骼创新设计并研制助老机器人样机。本项目从不同健康状态老年人的切身需求出发，探索一种可以发挥老年人在运动过程中主动性和积极性的生物融合式外骨骼型综合和构型优化理论，对人机闭环机构的研究以及我国助老机器人的发展具有重要意义。

随着社会老龄化，中风、摔倒后手臂骨折、膝痛病的老年人数量不断增加，各种助老机器人已成为提高其康复效率及生活质量的有效手段，其中能够实现对人体具体关节进行运动辅助的外骨骼成为研究热点，但其设计理念大多受到工业机器人的影响，未能充分认识人体在人机闭环系统中所能发挥的约束或驱动作用，制约新型助老机器人的发展。本项目将人体视为机械机构输出确定运动的必要组成部分，提出了生物融合式外骨骼机构概念并对包含弹性运动副的人机闭环系统开展研究，从机构学层面实现人机融合。. 针对存在下肢退化性关节炎老年人行走过程中需减轻自身重量对承重关节压迫的具体需求，从人机连接、机构自由度、结构尺寸等方面分析了减重外骨骼构型特点，并在此基础上综合得到基于2-UPS机构的减重外骨骼。基于行走图像对老年人的步态进行分析，并建立人体行走的运动学模型，进一步应用影响系数法和螺旋理论建立人机闭环机构的运动学模型，应用拉格朗日法分别对行走过程中双腿支撑相和单腿支撑相进行动力学分析，并通过Adams仿真软件进行验证。. 项目在对人体手臂肘腕关节生理结构及康复需求分析的基础上，应用约束螺旋法开展具有连续转轴并联机构综合，得到转动轴线空间垂直且间距可变的两转一移并联机构，并进一步提出串并混联肘腕关节康复机器人机构。应用影响系数法和螺旋理论建立其运动学、静力学模型，并结合工作空间及外形尺寸进行尺度优化，以雅克比矩阵的条件数为依据讨论了机构的运动学性能。. 基于上述生物融合式外骨骼相关研究，研制一系列机器人实验样机，包括搭建包含人机间力信息的机器人控制系统。完成机器人整机装配及多运动模式调试，为后续研究提供良好的实验条件。本项目的顺利开展对新型助老机器人创新设计以及包含弹性储能元件的人机闭环机构的分析研究具有重要意义。