一种不确定性条件下的下肢外骨骼时变可靠性分析方法技术

本发明专利技术公开一种不确定性条件下的下肢外骨骼时变可靠性分析方法，通过简化下肢外骨骼模型，建立独立的髋关节、膝关节和踝关节三个关节的简化模型；并充分考虑下肢外骨骼机械结构存在的不确定性因素，建立在不确定性条件下关节角的数学模型；利用运动学正问题求解方法建立末端轨迹关于不确定条件下关节角角度的数学模型；通过运动精度分析得到在不确定条件下关节角角度和末端轨迹的均值与方差；考虑下肢外骨骼失效时序，将下肢外骨骼从髋关节到末端轨迹看作自上而下的串联系统，分析每个单元的失效概率，实现下肢外骨骼系统时变可靠性计算；结果对全面提高下肢外骨骼的设计水平具有较高的理论支撑和工程实践意义。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于可靠性工程
，具体是一种面向下肢外骨骼的时变可靠性分析方法。
技术介绍
可穿戴下肢外骨骼机器人是一种能够使人在负重条件下进行长距离行走的人机一体化系统。由于它的可穿戴性，这就要求下肢外骨骼必须通过模拟人体下肢的骨骼结构、肌肉运动和关节转动给人体提供额外的动力，可以给穿戴者起到支撑、助力和保护作用。同时由于它的助力作用，这使得下肢外骨骼在医疗健康、军事作战和助老助残等方面广泛应用，目前下肢外骨骼的研究已成为了国际前沿研究方向。美国、日本等国家的一些科研机构的研究成果已经在单兵军事作战装备、辅助医疗设备、助老助残等领域获得了实际应用。我国在“十一五”国家科技支撑计划“残疾人康复技术及设备研发”重点项目中提出了运动功能康复方面的重点课题“肢体康复医疗机器人研发”，它标志着下肢外骨骼技术在我国备受重视，并会在不久的将来推向市场。下肢外骨骼在设计、制造及其使用过程中将受到众多不确定性因素的影响，例如：制造精度误差、运动副间隙误差、液压缸驱动源误差和载荷、客户使用和工作环境的随机变化。这些不确定性将对下肢外骨骼与人体配合的一致性、人体穿戴的舒适性、人体穿戴的安全性等性能产生严重的影响。因此，对于具有杆件精度误差、运动副间隙误差以及液压缸驱动源误差等不确定性的下肢外骨骼，结合下肢外骨骼的尺寸、D-H转换矩阵和不确定性分析，需要一种不确定性条件下的下肢外骨骼时变可靠性分析方法，以对其进行可靠性分析。
技术实现思路
本专利技术为解决上述技术问题，提出了一种不确定性条件下的下肢外骨骼时变可靠性分析方法，通过对下肢外骨骼进行简化，考虑下肢外骨骼存在的不确定性因素，从而获取时变可靠性分析模型，为下肢外骨骼一致性、安全性分析奠定理论基础和技术支撑。本专利技术采用的技术方案是：一种不确定性条件下的下肢外骨骼时变可靠性分析方法，包括：S1、建立下肢外骨骼包含液压缸的简化模型，量化下肢外骨骼各关节杆件、运动副和液压缸的不确定性，计算在不确定性条件下各关节角角度以及末端轨迹的均值和方差；S2、考虑下肢外骨骼失效时序，将下肢外骨骼从髋关节到末端轨迹看作自上而下的四单元时序相关串联系统，分析每个单元的失效概率，并确定下肢外骨骼失效概率；所述的四单元依次为：髋关节、膝关节、踝关节以及末端轨迹；S3、根据步骤S2所得的下肢外骨骼失效概率确定下肢外骨骼的可靠度。进一步地，所述步骤S1包括：S11、分析下肢外骨骼，建立下肢外骨骼髋关节、膝关节和踝关节对应的关节角角度在各自不确定性条件下的数学模型；并确定各自关节角角度的均值和方差；S12、通过D-H转换矩阵，建立末端轨迹关于髋关节、膝关节和踝关节对应的关节角角度的数学模型，并求解下肢外骨骼末端轨迹的上、下限。更进一步地，所述步骤S11具体包括以下分步骤：S111、建立下肢外骨骼髋关节、膝关节和踝关节各自包含液压缸的简化模型，得到在满足外骨骼正常步态下的液压缸理想位移；S112、分别量化髋关节、膝关节和踝关节的不确定性；S113、根据步骤S111得到的液压缸理想位移，建立下肢外骨骼髋关节、膝关节和踝关节各自对应的关节角角度在步骤S112得到的不确定性条件下的数学模型，并确定各自关节角角度的均值和方差。进一步地，步骤S112所述的髋关节不确定性至少包括：髋关节杆件尺寸误差、髋关节液压缸误差以及髋关节运动副间隙误差；所述的膝关节不确定性至少包括：膝关节杆件尺寸误差、膝关节液压缸误差以及膝关节运动副间隙误差；所述的踝关节不确定性至少包括：踝关节杆件尺寸误差、踝关节液压缸误差以及踝关节运动副间隙误差。进一步地，所述步骤S12具体包括以下分步骤：S121、通过D-H转换矩阵，建立下肢外骨骼末端轨迹关于髋关节、膝关节和踝关节对应的关节角角度的数学模型；S122、根据步骤S113得到的髋关节、膝关节和踝关节各自对应的关节角角度的均值和方差，通过仿真确定下肢外骨骼末端轨迹的均值和方差；S123、以CGA数据中关节角角度值的上、下限为约束，分别以下肢外骨骼末端轨迹的最小和最大为目标，建立求解下肢外骨骼末端轨迹上、下限的优化模型；S124、求解步骤S123建立的优化模型，得到下肢外骨骼末端轨迹的上、下限。进一步地，所述步骤S2包括：S21、考虑下肢外骨骼失效时序，将下肢外骨骼从髋关节到末端轨迹看作自上而下的四单元时序相关串联系统，计算髋关节失效概率；S22、对四单元时序相关串联系统的膝关节，计算髋关节可靠情况下膝关节的失效概率；S23、对四单元时序相关串联系统的踝关节，计算在髋关节和膝关节都可靠情况下踝关节的失效概率；S24、对四单元时序相关串联系统的末端轨迹，计算在髋关节、膝关节和踝关节都可靠情况下末端轨迹的失效概率。更进一步地，所述步骤S21具体包括：S211、将下肢外骨骼从髋关节到末端轨迹看作自上而下的四单元时序相关串联系统，所述的四时序单元依次为：髋关节、膝关节、踝关节以及末端轨迹；S212、根据步骤S11得到的髋关节所对应的关节角角度的均值和方差，以及CGA数据中的髋关节所对应关节角角度的上、下限，得到髋关节失效概率。进一步地，所述步骤S22具体包括以下分步骤：S221、对步骤S211确定的四单元时序相关串联系统中的膝关节单元；S222、根据步骤S11得到的髋关节和膝关节所对应的关节角角度的均值、方差，以及CGA数据中的髋关节和膝关节所对应的各自关节角角度的上、下限，得到在髋关节可靠情况下膝关节的失效概率。进一步地，所述步骤S23具体包括以下分步骤：S231、对步骤S211确定的四单元时序相关串联系统中的踝关节单元；S232、根据步骤S11得到的髋关节、膝关节和踝关节所对应的关节角角度的均值、方差，以及CGA数据中的髋关节、膝关节和踝关节所对应的各自关节角角度的上、下限，根据容斥原理，忽略三个单元同时失效的情况，得到在髋关节和膝关节都可靠情况下踝关节的失效概率。进一步地，所述步骤S24具体包括以下分步骤：S241、对步骤S211确定的四单元时序相关串联系统中的踝关节单元；S242、根据步骤S11得到的髋关节、膝关节和踝关节所对应的关节角角度的均值、方差，以及CGA数据中的髋关节、膝关节和踝关节所对应的各自关节角角度的上、下限，以及步骤S2得到的下肢外骨骼末端轨迹的上、下限，根据容斥原理，忽略三个或三个以上单元同时失效的情况，得到在髋关节、膝关节和踝关节可靠情况下末端轨迹的失效概率。进一步地，所述步骤S3具体为：根据步骤S2得到的髋关节失效概率、膝关节失效概率、踝关节失效概率以及末端轨迹失效概率，得到在不确定性条件下的下肢外骨骼时变可靠度。本专利技术的有益效果：本专利技术通过简化下肢外骨骼模型，建立了独立的髋关节、膝关节和踝关节三个关节的简化模型，并充分考虑了下肢外骨骼存在的不确定性因素，建立了在不确定性条件下关节角的数学模型，通过分析得到了只考虑关节角情况下的下肢外骨骼时变可靠性模型，同时结合末端轨迹满足误差范围，实现下肢外骨骼时变可靠性计算，同时对全面提高下肢外骨骼的设计水平具有较高的理论支撑和工程实践意义。附图说明图1是本专利技术下肢外骨骼时变可靠性分析方法的流程图。图2是本专利技术针对下肢外骨骼的简化模型。图3是本专利技术实施例中在不确定条件下的关节角均值。图4是本专利技术实施例中在不确定条件下的关节角方差本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种不确定性条件下的下肢外骨骼时变可靠性分析方法，其特征在于，包括：S1、建立下肢外骨骼包含液压缸的简化模型，量化下肢外骨骼各关节杆件、运动副和液压缸的不确定性，计算在不确定性条件下各关节角角度以及末端轨迹的均值和方差；S2、考虑下肢外骨骼失效时序，将下肢外骨骼从髋关节到末端轨迹看作自上而下的四单元时序相关串联系统，分析每个单元的失效概率，并确定下肢外骨骼失效概率；所述的四单元依次为：髋关节、膝关节、踝关节以及末端轨迹；S3、根据步骤S2所得的下肢外骨骼失效概率确定下肢外骨骼的可靠度。

【技术特征摘要】
1.一种不确定性条件下的下肢外骨骼时变可靠性分析方法，其特征在于，包括：S1、建立下肢外骨骼包含液压缸的简化模型，量化下肢外骨骼各关节杆件、运动副和液压缸的不确定性，计算在不确定性条件下各关节角角度以及末端轨迹的均值和方差；S2、考虑下肢外骨骼失效时序，将下肢外骨骼从髋关节到末端轨迹看作自上而下的四单元时序相关串联系统，分析每个单元的失效概率，并确定下肢外骨骼失效概率；所述的四单元依次为：髋关节、膝关节、踝关节以及末端轨迹；S3、根据步骤S2所得的下肢外骨骼失效概率确定下肢外骨骼的可靠度。2.根据权利要求1所述的一种不确定性条件下的下肢外骨骼时变可靠性分析方法，其特征在于，所述步骤S1包括：S11、分析下肢外骨骼，建立下肢外骨骼髋关节、膝关节和踝关节对应的关节角角度在各自不确定性条件下的数学模型；并确定各自关节角角度的均值和方差；S12、通过D-H转换矩阵，建立末端轨迹关于髋关节、膝关节和踝关节对应的关节角角度的数学模型，并求解下肢外骨骼末端轨迹的上、下限。3.根据权利要求2所述的一种不确定性条件下的下肢外骨骼时变可靠性分析方法，其特征在于，所述步骤S11具体包括以下分步骤：S111、建立下肢外骨骼髋关节、膝关节和踝关节各自包含液压缸的简化模型，得到在满足外骨骼正常步态下的液压缸理想位移；S112、分别量化髋关节、膝关节和踝关节的不确定性；S113、根据步骤S111得到的液压缸理想位移，建立下肢外骨骼髋关节、膝关节和踝关节各自对应的关节角角度在步骤S112得到的不确定性条件下的数学模型，并确定各自关节角角度的均值和方差。4.根据权利要求3所述的一种不确定性条件下的下肢外骨骼时变可靠性分析方法，其特征在于，步骤S112所述的髋关节不确定性至少包括：髋关节杆件尺寸误差、髋关节液压缸误差以及髋关节运动副间隙误差；所述的膝关节不确定性至少包括：膝关节杆件尺寸误差、膝关节液压缸误差以及膝关节运动副间隙误差；所述的踝关节不确定性至少包括：踝关节杆件尺寸误差、踝关节液压缸误差以及踝关节运动副间隙误差。5.根据权利要求2所述的一种不确定性条件下的下肢外骨骼时变可靠性分析方法，其特征在于，所述步骤S12具体包括以下分步骤：S121、通过D-H转换矩阵，建立下肢外骨骼末端轨迹关于髋关节、膝关节和踝关节对应的关节角角度的数学模型；S122、根据步骤S113得到的关节角的均值和方差，通过仿真确定下肢外骨骼末端轨迹的均值和方差；S123、以CGA数据中关节角角度的上、下限为约束，分别以下肢外骨骼末端轨迹的最小和最大为目标，建立求解下肢外骨骼末端轨迹上、下限的优化模型；S124、求解步骤S123建立的优化模型，得到下肢...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪忠来，俞水，李文生，孟德彪，张小玲，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51