多模式弹性驱动器技术

一、项目概况

该项目属于仿生驱动器、外骨骼机器人领域。主要研究基于生物肌肉运行机制的多模式弹性驱动器的一些前沿问题，主要研究内容如下：

1．通过构建人体下肢骨骼系统的动力学模型，研究人体下肢肌肉骨骼系统在不同运动模式下的运动响应特征；利用由表及里的研究方式，在人体下肢关键点设置标记点，对人体运动进行检测，获得标记点的空间坐标信息及足底力信息，进而获得下肢关节力矩与关节角度变化关系，得到关节运动过程中的变刚度特征；进行生物肌肉协调控制机理分析，为仿生驱动器的机构设计及控制提供理论基础。

2．进行多模式弹性驱动器的变刚度机理分析，研究不同运动模式下的刚度需求变化特征；进行驱动器变刚度实现方法研究，本项目在串联弹性驱动器的基础上引入了刹车模块，利用刹车模块的开合，实现驱动器的刚性驱动、串联弹性驱动、仅有弹性元件的被动驱动等多模式驱动；进行驱动器的控制策略研究，根据仿生驱动器在行走周期内的不同阶段需求，进行基于状态机的控制研究。基于骨骼肌运动机理研究的多模式弹性驱动器的研究，为仿生驱动技术提供了共同的研究框架及研究方法。

3．把多模式弹性驱动器应用于膝关节外骨骼机器人中；研究最优布置的驱动系统，为驱动器提供有效的动力传递路径；构建下肢外骨骼刚柔耦合动力学模型，研究人机系统自适应控制方法；进行使用者穿戴实验研究，建立下肢外骨骼系统舒适助力的评价方法 。

二、科技创新

1．本项目通过对骨骼肌的基本结构组成研究，分别从宏观、介观及微观上深入分析骨骼肌内部结构，对骨骼肌中分子马达的集体运动特性及集体运行机制研究，探索从微观到宏观构建骨骼肌收缩力学模型方法；针对典型人体运动，开展生物力学计算，研究骨骼肌的响应特性，获得不同运动模式下，人体下肢外骨骼关节生物力学数据，为仿生驱动器的设计提供基础理论。

2．本项目基于肌肉的仿生特征进行变刚度驱动器的研究，分析变刚度策略，设计多模式运动的仿生驱动器；进行仿生驱动器的动力学模型研究及驱动器的输出特性研究，研究不同参数的弹性元件对驱动器能量放大特性研究，并给出驱动器的性能评价指标。仿生驱动器的研究为仿生技术提供了一种通过揭示隐藏在生物肌肉表面下的运动机理，并且运用及转化这些机理来发展仿生驱动的方法。

3、本项目进行了基于多模式弹性驱动器的外骨骼机器人研究，研究人机匹配技术，设计拟人化外骨骼机构；对下肢外骨骼中的智能感知系统进行研究，并研究多传感器的信息融合技术及运动模式的识别技术；进行下肢外骨骼机器人的智能控制研究，构建系统动力学模型，模仿生物神经网络研究自适应能力的运动控制策略，进行下肢外骨骼样机的运动响应实验，建立下肢外骨骼的机器人的运动跟随及助力效果评价方法。

三、技术成果

围绕着本项目10篇论文发表在中国科学E辑，Robotica，Acta of bioengineering and biomechanics，机械工程学报，自动化学报，机器人等权威学术期刊上，文章被Journal of Biomechanics，Robotica，机器人等期刊引用，围绕着本项目，授权发明专利4项。

完成单位：南京工程学院、南京航空航天大学

完 成 人：韩亚丽、朱松青、贾 山、郝 飞、高海涛、关鸿耀、杨 柳