1、助力型下肢外骨骼機器人是一類可以被人穿戴，提高穿戴者行走耐久性、行走速度、負重能力等體能的智能裝備。助力型下肢外骨骼機器人可實現(xiàn)行走、跑、跳等多樣化的運動形式，可在戰(zhàn)場、搶險救災、野外施工作業(yè)等缺少電力、燃料等能源供應和道路交通的野外工作環(huán)境發(fā)揮重要作用。因此助力型下肢外骨骼機器人相關研究是國際學術前沿，其難點在于實現(xiàn)樣機的高承載能力、高功率密度、長工作時間等特性。本學位論文針對液壓驅動助力型下肢外骨骼機器人的關鍵技術開展研究，選題具有

2、很強的工程應用背景和重要的學術研究價值。
　　本課題開展中做出了以下創(chuàng)新性研究:
　　1.研制了高功率密度長運行時間的外骨骼機器人動力系統(tǒng)。當前外骨骼機器人的動力系統(tǒng)多采用鋰電池供應能源，然而鋰電池能量密度有限，難以保證機器人大功率、長時間工作。為解決這一難題，本學位論文研制了外骨骼機器人發(fā)動機動力系統(tǒng)樣機，該樣機重約20kg，最大可向機器人提供1.5kW液壓能源與160W直流電力，在攜帶5kg燃料時該樣機可以維持1.2kW

3、總功率持續(xù)運行4.5小時，滿足上述功率及容量的條件下該方案整機（含燃料）重量僅占蓄電池-電機方案中鋰電池重量(39kg)的64％。
　　2.提出了一種圖形化多目標優(yōu)化方法。在動力系統(tǒng)研發(fā)中提出了彈簧增壓油箱實現(xiàn)機器人液壓系統(tǒng)閉式回路，避免了空氣吸入、大氣中顆粒污染物混入及液壓泵氣蝕。彈簧增壓油箱的設計存在重量、空間體積、增壓壓力等6項優(yōu)化指標?，F(xiàn)有的多目標優(yōu)化方法均依靠偏好模型來權衡各項性能指標;而彈簧增壓油箱的優(yōu)化問題由于優(yōu)化目

4、標多、優(yōu)化目標之間無法比較等因素難以建立偏好模型。本文提出了一種多目標優(yōu)化方法，采用圖形化界面展示優(yōu)化結果，具有流程清晰、數(shù)據(jù)展示直觀的優(yōu)點，彌補了以數(shù)據(jù)為輸出的多數(shù)現(xiàn)有方法的不足，可以協(xié)助設計者方便快捷的獲得最終解，尤其具有求解過程不需要設計者提供偏好模型的優(yōu)點，因此與現(xiàn)有方法相比在實際問題中可以得到更廣泛的應用。
　　3.開發(fā)了易于功能擴展和改進的控制器，提出了一種用于控制器的多任務動態(tài)調度框架。本論文提出的主板-功能模塊結構

5、的機器人控制系統(tǒng)具有工作電壓低、功耗小的特點，且易于功能擴展和改進。針對控制系統(tǒng)工作中需要對大量任務高速調度執(zhí)行的特點提出了一種多任務動態(tài)調度框架，利用任務間固有的依賴關系維護活動任務表，可以使控制器在不采用實時操作系統(tǒng)的情況下完成多任務的并發(fā)執(zhí)行，避免了實時操作系統(tǒng)任務同步與調度帶來的處理器時間損耗與存儲空間損耗。
　　本文具體研究內容如下:
　　第一章，在助力型下肢外骨骼機器人相關文獻的基礎上對其發(fā)展現(xiàn)狀進行了總結;同時

6、分析了外骨骼機器人應用環(huán)境的特征及需求，闡明了本課題的主要研究內容，確定了本文研究的機器人采用發(fā)動機驅動液壓作動器的總體方案;最后介紹了本課題研究難點。
　　第二章，外骨骼機器人下肢機構設計研究。首先介紹了步態(tài)采集裝置及獲取的步態(tài)數(shù)據(jù);進而論述下肢機構的需求以及綜合考慮了結構強度、承載能力、對穿戴者的適當保護措施等因素的設計實現(xiàn)。主動關節(jié)采用液壓伺服閥驅動非對稱缸，以獲取足夠的下肢關節(jié)驅動力。在下肢機構研發(fā)的基礎上分析了其運動學模

7、型與靜力學模型。
　　第三章，外骨骼機器人動力系統(tǒng)設計研究。本章通過對比基于發(fā)動機-燃料方案與基于電池方案展示了前者在功率質量比上的優(yōu)勢。介紹了動力系統(tǒng)原動機模塊、液壓回路及發(fā)電模塊等子系統(tǒng)的研發(fā)實現(xiàn)及工作特性。提出了基于圖形界面的多目標優(yōu)化方法，并采用此方法完成了增壓油箱的多目標優(yōu)化設計，從而實現(xiàn)動力系統(tǒng)閉式液壓回路。建立了動力系統(tǒng)發(fā)動機功率控制模型以及液壓回路負載流量觀測模型。
　　第四章，控制系統(tǒng)硬件及程序設計研究。硬

8、件上采用主板/功能模塊結構方案，研制了數(shù)據(jù)采集、作動器驅動的多個模塊，對數(shù)據(jù)采集模塊采樣精度做出詳細分析，結果表明采樣精度滿足外骨骼機器人系統(tǒng)需求。在控制系統(tǒng)程序方面分析了其構成與運行方式，提出了多任務動態(tài)調度策略實現(xiàn)多任務高效并發(fā)執(zhí)行。
　　第五章，外骨骼機器人物理樣機試驗研究。試驗研究從動力系統(tǒng)特性、下肢空載運動特性、整機承載特性等多個方面驗證動力系統(tǒng)的輸出能力及運行特性、下肢機械關節(jié)的運動性能，并對前文提出的模型進行驗證。<