目前下肢助力外骨骼機器人一般采用髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)一體化設(shè)計,存在質(zhì)量重、體積大、無外界能量輸入時機械結(jié)構(gòu)成為負(fù)擔(dān)等缺點,導(dǎo)致傳統(tǒng)下肢助力外骨骼效率低、續(xù)航能力弱、穿戴舒適性差并且無法為各下肢關(guān)節(jié)提供定制化輔助。因此設(shè)計并研究能夠根據(jù)各下肢關(guān)節(jié)生理特點提供輔助的模塊化輕量型柔性單關(guān)節(jié)下肢外骨骼十分有研究意義。由于在人類行走過程中踝關(guān)節(jié)提供人體推進的主要能量,因此踝關(guān)節(jié)助力外骨骼的設(shè)計在模塊化輕量型柔性外骨骼的研究中具有至關(guān)重要的地位和作用。本文針對柔性輕量化踝關(guān)節(jié)外骨骼的機械本體、上層控制策略以及下層控制算法進行設(shè)計和研究,并通過仿真和實驗驗證了本文完成工作的有效性。機械機構(gòu)本體方面,基于人體生物學(xué)基礎(chǔ)提出兩套踝關(guān)節(jié)柔性外骨骼設(shè)計方案。綜合考慮施力方式、力臂長度、空間占有率,最終確定第二種縱向施力式外骨骼。該外骨骼采用繩索彈簧傳動,通過優(yōu)化彈簧剛度,使得外骨骼電機輸出峰值功率下降了52.8%。在上層控制方面,以判斷輔助力矩提供時機為目的,通過對實驗數(shù)據(jù)的研究和觀察,識別人體行走過程中的小腿傾角特征值,提出基于IMU的時域控制策略,可提前0.034s判斷人體運動狀態(tài),且效果好,可替代... 

【文章來源】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)黑龍江省 211工程院校 985工程院校

【文章頁數(shù)】：73 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【文章目錄】：
摘要
ABSTRACT
第1章 課題來源及研究的背景和意義
    1.1 課題背景與研究的目的和意義
        1.1.1 課題的來源
        1.1.2 課題研究的背景和意義
    1.2 國內(nèi)外在該方向上的研究現(xiàn)狀及分析
        1.2.1 國外研究現(xiàn)狀
        1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀
    1.3 問題描述
    1.4 主要研究內(nèi)容
第2章 踝關(guān)節(jié)柔性外骨骼建模與優(yōu)化設(shè)計
    2.1 引言
    2.2 踝關(guān)節(jié)柔性外骨骼設(shè)計目標(biāo)
    2.3 踝關(guān)節(jié)柔性外骨骼模型建立
        2.3.1 踝關(guān)節(jié)柔性外骨骼建模的生物學(xué)機理
        2.3.2 踝關(guān)節(jié)柔性外骨骼設(shè)計總體方案
    2.4 踝關(guān)節(jié)柔性外骨骼優(yōu)化設(shè)計
        2.4.1 踝關(guān)節(jié)柔性外骨骼人機一體模型的建立
        2.4.2 踝關(guān)節(jié)柔性外骨骼系統(tǒng)設(shè)計
        2.4.3 踝關(guān)節(jié)柔性外骨骼的結(jié)構(gòu)評價分析
    2.5 本章小結(jié)
第3章 踝關(guān)節(jié)柔性外骨骼控制策略研究
    3.1 引言
    3.2 踝關(guān)節(jié)柔性外骨骼的控制系統(tǒng)設(shè)計
    3.3 踝關(guān)節(jié)柔性外骨骼上層控制研究
        3.3.1 踝關(guān)節(jié)柔性外骨骼上層控制設(shè)計基礎(chǔ)
        3.3.2 基于IMU的時域控制上層控制
    3.4 踝關(guān)節(jié)柔性外骨骼的下層控制研究
        3.4.1 踝關(guān)節(jié)柔性外骨骼下層控制設(shè)計基礎(chǔ)
        3.4.2 基于傳統(tǒng)PID控制
        3.4.3 基于速度和力矩補償控制
        3.4.4 基于卡爾曼濾波的速度和力矩補償控制
        3.4.5 基于卡爾曼濾波和RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的速度和力矩補償控制
    3.5 本章小結(jié)
第4章 實驗驗證研究
    4.1 引言
    4.2 踝關(guān)節(jié)柔性外骨骼實驗系統(tǒng)設(shè)計
        4.2.1 硬件系統(tǒng)
        4.2.2 軟件系統(tǒng)
    4.3 踝關(guān)節(jié)柔性外骨骼參數(shù)設(shè)置
        4.3.1 交流伺服電機設(shè)置
        4.3.2 伺服驅(qū)動器的設(shè)置
        4.3.3 軟件限位的設(shè)置
    4.4 彈簧剛度優(yōu)化實驗驗證
    4.5 踝關(guān)節(jié)柔性外骨骼上層控制系統(tǒng)驗證研究
    4.6 踝關(guān)節(jié)柔性外骨骼下層控制系統(tǒng)驗證研究
    4.7 踝關(guān)節(jié)柔性外骨骼性能的實驗評價
    4.8 本章小結(jié)
結(jié)論
參考文獻
攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文及其它成果
致謝


【參考文獻】：
期刊論文
[1]人口老齡化、生育政策調(diào)整與中國經(jīng)濟增長[J]. 汪偉.  經(jīng)濟學(xué)(季刊). 2017(01)
[2]下肢外骨骼助行機器人研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]. 劉會勇,趙青.  機械設(shè)計與制造. 2013(08)
[3]外骨骼機器人技術(shù)研究綜述[J]. 蔡兆云,肖湘江.  國防科技. 2007(12)
[4]基于MATLAB的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模及應(yīng)用[J]. 王艷芹,張維.  大慶師范學(xué)院學(xué)報. 2007(02)

博士論文
[1]新型下肢外骨骼的機構(gòu)性能設(shè)計方法研究[D]. 繆云潔.上海交通大學(xué) 2015

碩士論文
[1]下肢康復(fù)機器人運動控制策略的研究[D]. 呂顯耀.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2017
[2]下肢助力外骨骼機器人的研究[D]. 彭延云.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2016
[3]多自由度下肢外骨骼控制系統(tǒng)研究[D]. 劉志娟.浙江大學(xué) 2011
[4]基于肌電信號控制的康復(fù)醫(yī)療下肢外骨骼設(shè)計及研究[D]. 費燁赟.浙江大學(xué) 2006



本文編號：3452890