多模式彈性驅(qū)動(dòng)器技術(shù)

一、項(xiàng)目概況

該項(xiàng)目屬于仿生驅(qū)動(dòng)器、外骨骼機(jī)器人領(lǐng)域。主要研究基于生物肌肉運(yùn)行機(jī)制的多模式彈性驅(qū)動(dòng)器的一些前沿問(wèn)題，主要研究?jī)?nèi)容如下：

1．通過(guò)構(gòu)建人體下肢骨骼系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型，研究人體下肢肌肉骨骼系統(tǒng)在不同運(yùn)動(dòng)模式下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)特征；利用由表及里的研究方式，在人體下肢關(guān)鍵點(diǎn)設(shè)置標(biāo)記點(diǎn)，對(duì)人體運(yùn)動(dòng)進(jìn)行檢測(cè)，獲得標(biāo)記點(diǎn)的空間坐標(biāo)信息及足底力信息，進(jìn)而獲得下肢關(guān)節(jié)力矩與關(guān)節(jié)角度變化關(guān)系，得到關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的變剛度特征；進(jìn)行生物肌肉協(xié)調(diào)控制機(jī)理分析，為仿生驅(qū)動(dòng)器的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及控制提供理論基礎(chǔ)。

2．進(jìn)行多模式彈性驅(qū)動(dòng)器的變剛度機(jī)理分析，研究不同運(yùn)動(dòng)模式下的剛度需求變化特征；進(jìn)行驅(qū)動(dòng)器變剛度實(shí)現(xiàn)方法研究，本項(xiàng)目在串聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)器的基礎(chǔ)上引入了剎車(chē)模塊，利用剎車(chē)模塊的開(kāi)合，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)器的剛性驅(qū)動(dòng)、串聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)、僅有彈性元件的被動(dòng)驅(qū)動(dòng)等多模式驅(qū)動(dòng)；進(jìn)行驅(qū)動(dòng)器的控制策略研究，根據(jù)仿生驅(qū)動(dòng)器在行走周期內(nèi)的不同階段需求，進(jìn)行基于狀態(tài)機(jī)的控制研究?；诠趋兰∵\(yùn)動(dòng)機(jī)理研究的多模式彈性驅(qū)動(dòng)器的研究，為仿生驅(qū)動(dòng)技術(shù)提供了共同的研究框架及研究方法。

3．把多模式彈性驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用于膝關(guān)節(jié)外骨骼機(jī)器人中；研究最優(yōu)布置的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，為驅(qū)動(dòng)器提供有效的動(dòng)力傳遞路徑；構(gòu)建下肢外骨骼剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型，研究人機(jī)系統(tǒng)自適應(yīng)控制方法；進(jìn)行使用者穿戴實(shí)驗(yàn)研究，建立下肢外骨骼系統(tǒng)舒適助力的評(píng)價(jià)方法 。

二、科技創(chuàng)新

1．本項(xiàng)目通過(guò)對(duì)骨骼肌的基本結(jié)構(gòu)組成研究，分別從宏觀、介觀及微觀上深入分析骨骼肌內(nèi)部結(jié)構(gòu)，對(duì)骨骼肌中分子馬達(dá)的集體運(yùn)動(dòng)特性及集體運(yùn)行機(jī)制研究，探索從微觀到宏觀構(gòu)建骨骼肌收縮力學(xué)模型方法；針對(duì)典型人體運(yùn)動(dòng)，開(kāi)展生物力學(xué)計(jì)算，研究骨骼肌的響應(yīng)特性，獲得不同運(yùn)動(dòng)模式下，人體下肢外骨骼關(guān)節(jié)生物力學(xué)數(shù)據(jù)，為仿生驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)理論。

2．本項(xiàng)目基于肌肉的仿生特征進(jìn)行變剛度驅(qū)動(dòng)器的研究，分析變剛度策略，設(shè)計(jì)多模式運(yùn)動(dòng)的仿生驅(qū)動(dòng)器；進(jìn)行仿生驅(qū)動(dòng)器的動(dòng)力學(xué)模型研究及驅(qū)動(dòng)器的輸出特性研究，研究不同參數(shù)的彈性元件對(duì)驅(qū)動(dòng)器能量放大特性研究，并給出驅(qū)動(dòng)器的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。仿生驅(qū)動(dòng)器的研究為仿生技術(shù)提供了一種通過(guò)揭示隱藏在生物肌肉表面下的運(yùn)動(dòng)機(jī)理，并且運(yùn)用及轉(zhuǎn)化這些機(jī)理來(lái)發(fā)展仿生驅(qū)動(dòng)的方法。

3、本項(xiàng)目進(jìn)行了基于多模式彈性驅(qū)動(dòng)器的外骨骼機(jī)器人研究，研究人機(jī)匹配技術(shù)，設(shè)計(jì)擬人化外骨骼機(jī)構(gòu)；對(duì)下肢外骨骼中的智能感知系統(tǒng)進(jìn)行研究，并研究多傳感器的信息融合技術(shù)及運(yùn)動(dòng)模式的識(shí)別技術(shù)；進(jìn)行下肢外骨骼機(jī)器人的智能控制研究，構(gòu)建系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，模仿生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研究自適應(yīng)能力的運(yùn)動(dòng)控制策略，進(jìn)行下肢外骨骼樣機(jī)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)實(shí)驗(yàn)，建立下肢外骨骼的機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)跟隨及助力效果評(píng)價(jià)方法。

三、技術(shù)成果

圍繞著本項(xiàng)目10篇論文發(fā)表在中國(guó)科學(xué)E輯，Robotica，Acta of bioengineering and biomechanics，機(jī)械工程學(xué)報(bào)，自動(dòng)化學(xué)報(bào)，機(jī)器人等權(quán)威學(xué)術(shù)期刊上，文章被Journal of Biomechanics，Robotica，機(jī)器人等期刊引用，圍繞著本項(xiàng)目，授權(quán)發(fā)明專(zhuān)利4項(xiàng)。

完成單位：南京工程學(xué)院、南京航空航天大學(xué)

完 成 人：韓亞麗、朱松青、賈 山、郝 飛、高海濤、關(guān)鴻耀、楊 柳