本文選題：柔索　切入點(diǎn)：氣動(dòng)人工肌肉　出處：《合肥工業(yè)大學(xué)》2017年碩士論文

【摘要】：目前,越來(lái)越多的人由于長(zhǎng)時(shí)間坐立導(dǎo)致腰部疾病或腰部運(yùn)動(dòng)受限,且病人呈現(xiàn)年輕化趨勢(shì),而且傳統(tǒng)的治療方法依賴于康復(fù)醫(yī)師的經(jīng)驗(yàn)和徒手操作技術(shù),效率低下,費(fèi)時(shí)費(fèi)力。因此,設(shè)計(jì)一種智能化的腰部康復(fù)機(jī)器人具有重要的意義和價(jià)值。本文提出一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全性高、適應(yīng)性強(qiáng)的腰部康復(fù)機(jī)器人,并對(duì)其進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)、靜力學(xué)以及動(dòng)力學(xué)分析,在此基礎(chǔ)之上還進(jìn)行了結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及軌跡規(guī)劃。首先,根據(jù)人體腰部運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)和其復(fù)雜結(jié)構(gòu)分析,確定了腰部康復(fù)機(jī)器人的功能需求,并結(jié)合柔索和氣動(dòng)人工肌肉的驅(qū)動(dòng)特性進(jìn)行了機(jī)器人基本結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。隨后,根據(jù)腰部康復(fù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和功能將其分為腰部訓(xùn)練裝置和下肢牽引裝置分別進(jìn)行力學(xué)分析和優(yōu)化。其中在運(yùn)動(dòng)學(xué)和靜力學(xué)分析過(guò)程中將人體腰部看成彈簧考慮進(jìn)腰部訓(xùn)練裝置的一部分;下肢被看成剛性桿件考慮進(jìn)下肢牽引裝置結(jié)構(gòu)的一部分。接著利用拉格朗日法分別建立了腰部訓(xùn)練裝置和下肢牽引裝置的動(dòng)力學(xué)模型,并利用McKibben模型求出了氣動(dòng)人工肌肉組件產(chǎn)生的拉力與其結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的表達(dá)式。為了得到性能最佳的混合驅(qū)動(dòng)腰部康復(fù)機(jī)器人,對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了基于運(yùn)動(dòng)學(xué)與靜力學(xué)分析的參數(shù)優(yōu)化。腰部訓(xùn)練裝置的優(yōu)化中主要考慮了氣動(dòng)人工肌肉的收縮率的影響。利用粒子群算法對(duì)下肢牽引裝置在工作空間內(nèi)的全局條件數(shù)進(jìn)行了了優(yōu)化,并利用求解結(jié)果對(duì)下肢牽引裝置在可行工作空間內(nèi)的靈巧度進(jìn)行了仿真和討論。最后,為了滿足不同類型的康復(fù)患者的不同康復(fù)需求,設(shè)計(jì)了腰部康復(fù)機(jī)器人的控制系統(tǒng),包括傳感器的選擇和布置以及康復(fù)訓(xùn)練過(guò)程對(duì)應(yīng)的控制策略等。隨后對(duì)其中被動(dòng)訓(xùn)練過(guò)程中涉及的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行了的軌跡規(guī)劃和仿真,驗(yàn)證了運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型的正確性。
[Abstract]:At present, more and more people are suffering from waist disease or limited waist movement due to prolonged sitting and standing, and the patients tend to be younger. Moreover, the traditional treatment methods depend on the experience of the rehabilitator and the technique of hands-on operation, so they are inefficient. Therefore, it is of great significance and value to design an intelligent lumbar rehabilitation robot. This paper presents a lumbar rehabilitation robot with simple structure, high safety and strong adaptability. On the basis of static and dynamic analysis, structural parameter optimization, control system design and trajectory planning are also carried out. Firstly, according to the characteristics of human waist motion and its complex structure, The functional requirements of the lumbar rehabilitation robot are determined, and the basic structure of the robot is designed based on the driving characteristics of flexible cable and pneumatic artificial muscle. According to the structural characteristics and functions of lumbar rehabilitation robot, it is divided into lumbar training device and lower limb traction device for mechanical analysis and optimization respectively. In kinematics and statics analysis, the human waist is regarded as a spring test. Consider a part of the waist training device; The lower limb is regarded as a part of the structure of the rigid bar considering the lower limb traction device, and then the dynamic models of the waist training device and the lower limb traction device are established by using the Lagrange method. The expression between the pull force and the structure parameters of the pneumatic artificial muscle assembly is obtained by using the McKibben model. In order to obtain the best performance of the hybrid drive lumbar rehabilitation robot, Parameter optimization based on kinematics and statics analysis was carried out for its structure. The influence of the contraction rate of pneumatic artificial muscle was mainly considered in the optimization of waist training device. Particle swarm optimization was used to work on the lower limb traction device. The global condition number in the space is optimized. The dexterity of lower limb traction device in feasible workspace is simulated and discussed. Finally, in order to meet the different rehabilitation needs of different types of rehabilitation patients, the control system of lumbar rehabilitation robot is designed. Then the trajectory planning and simulation of the passive training process are carried out to verify the correctness of kinematics and dynamics model.
【學(xué)位授予單位】：合肥工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TP242

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本文編號(hào)：1661672