答辩博士：邵子宴
指导教师：陈柏教授、吴青聪讲师
论文题目：套索人工肌肉驱动软质肘关节外骨骼机器人研究
答辩委员会：
主席：王兴松 教授/博导 东南大学
委员：谭业发 教授/博导 陆军工程大学
游有鹏 教授/博导 南京航空航天大学
孙志峻 教授/博导 南京航空航天大学
王化明 教授/博导 南京航空航天大学
秘书：陆俊华 副教授/硕导 南京航空航天大学
时间：2020年12月21日15:00
地点：南航明故宫校区17#519
学位论文简介：
近些年来，外骨骼机器人技术得到了长足的发展和进步，在康复治疗领域，外骨骼机器人可以辅助肢体恢复运动机能，在军事、工业等领域，外骨骼机器人技术可以为肢体提供额外的力量支撑，减小在运动过程中穿戴者能量的消耗，但是传统的刚性外骨骼机器人存在诸如与人体旋转中心不重合、机构惯性大、运动范围约束等问题。本文针对肘关节的屈伸运动，设计了一种轻质、柔软的基于套索人工肌肉驱动的软质肘关节外骨骼机器人系统，能够主动驱动或辅助实现肘关节的弯曲/伸展运动，论文围绕软质外骨骼机器人的结构设计、传动建模、动力学特性和控制等问题做了一系列的研究。
主要研究工作包括：
（1）分析了人体肘关节的生理结构，对与肘关节运动相关联的骨骼和肌肉分别进行了介绍，描述了本文所设计的软质肘关节外骨骼机器人系统，并分别对软质肘关节外骨骼机器人的驱动系统、穿戴外骨骼服、传感系统和控制系统做了详细的介绍。
（2）研究了软质肘关节外骨骼机器人的套索人工肌肉传动系统。基于Hill肌肉模型设计了套索人工肌肉传动系统，对套索人工肌肉传动系统的力、变形和位移传递特性分别进行了建模，并分析了影响套索人工肌肉传动的主要因素。针对套索人工肌肉传动过程中的CE套管套索段变形的现场，设计了一种套管套索弯曲角度检测方法，并以此为基础设计了基于角度补偿的套索人工肌肉逆模型控制方法。建立了软质外骨骼机器人人机系统的双套索人工肌肉传动模型并通过仿真和实验进行了验证。
（3）对软质外骨骼机器人系统的动力学建模进行了研究。基于Cosserat连续体理论和Kane方法建立了套索人工肌肉中CE套管套索段的动力学模型，基于拉格朗日方法对弹性穿戴织物的动力学特性进行了建模，并得到了软质外骨骼机器人人机系统的动力学表达式。
（4）为了评价软质外骨骼机器人的穿戴效果，设计了基于表面肌电信号估计关节扭矩的策略，并设计了软质外骨骼机器人的控制实验平台。设计了基于神经网络估计关节扭矩的PID力位混合控制策略并进行了实验。基于软质外骨骼机器人人机系统的动力学模型设计了基于障碍利亚诺夫函数的自适应神经网络控制器，与前述基于神经网络估计关节扭矩策略结合设计了控制器，并分别通过实验进行了验证分析。
主要创新点如下：
（1）设计了套索人工肌肉驱动的软质肘关节外骨骼机器人系统，系统直接利用人体肘关节和骨骼作为旋转关节，避免了刚性外骨骼存在的运动过程中旋转中心不重合的缺陷。系统采用单个电机按照一定比例关系同时驱动两组套索人工肌肉实现肘关节的屈伸运动，且能够辅助完成肘关节的屈伸运动。
（2）基于Hill肌肉模型提出套索人工肌肉传动系统，可以拟合人体肌肉力与变形的近似线性的关系，建立了套索人工肌肉力、变形和位移的传递模型，通过仿真和相应的实验验证了模型的正确性，并通过实验平台对影响套索人工肌肉传动特性的因素进行研究。结合手臂模型建立了双套索人工肌肉驱动手臂传递模型，得到系统输出的角度和力矩之间的关系，通过实验验证了模型的正确性，为人机系统控制的实现提供了依据。
（3）考虑到套索人工肌肉传动过程中套管套索的弯曲变形问题，提出一种利用套管套索实现角度测量的检测方法，可以实现对弯曲角度及其变化过程的实时检测，通过仿真和相应的实验验证了方法的可行性，并以此为基础设计了套索人工肌肉传动的逆模型补偿控制方法，并通过实验进行了验证。
（4）基于系统动力学模型设计了系统的基于障碍李雅普诺夫的自适应神经网络控制器，对控制系统的稳定性进行了证明，与基于神经网络估计关节扭矩的策略相结合进一步设计了系统控制器，并通过实验验证了设计的两种控制策略的有效性。
