本文關(guān)鍵詞：下肢助力外骨骼改進(jìn)設(shè)計(jì)與控制算法研究

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【摘要】：在本文中主要研究的下肢助力外骨骼是一種穿戴在老人人體兩側(cè)提供人體行走助力的智能裝備,在多個(gè)領(lǐng)域都具有較為廣闊的應(yīng)用前景。本文的主要內(nèi)容包括：實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)有一款下肢助力外骨骼,在此基礎(chǔ)上改進(jìn)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、提出運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型、下肢助力外骨骼的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、基于比例切換函數(shù)的滑模算法應(yīng)用、協(xié)同仿真與實(shí)驗(yàn),為下肢外骨骼的后續(xù)發(fā)展打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。(1)結(jié)合人體行走的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn),以人體穿戴的舒適性和安全性為出發(fā)點(diǎn)進(jìn)行了下肢助力外骨骼的機(jī)械機(jī)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì),增加了關(guān)節(jié)限位、綁帶腰托設(shè)計(jì)等。建立了七連桿六自由度數(shù)學(xué)模型,進(jìn)行了牛頓一歐拉動(dòng)力學(xué)分析,在ADAMS軟件中進(jìn)行人體行走動(dòng)作的模擬,并得到電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力參數(shù)。(2)以STM32單片機(jī)為最小系統(tǒng)板建立下肢助力外骨骼的控制系統(tǒng),繪制電機(jī)控制板和傳感器信息采集板,采用了編碼器、直線拉桿位移傳感器、足底壓力傳感器、加速度傳感器。(3)在軟件SolidWorks中建立外骨骼三維模型,在軟件ADAMS中輸入該模型,進(jìn)行材料顏色修改、添加約束和運(yùn)動(dòng)副,在Simulink軟件中建立基于比例切換函數(shù)的滑�？刂扑惴�,建立協(xié)同模擬環(huán)境,實(shí)現(xiàn)外骨骼模仿人體行走動(dòng)作的仿真。(4)完成下肢外骨骼的零件加工、裝配,進(jìn)行人體穿戴實(shí)驗(yàn)和穩(wěn)定性測試,驗(yàn)證此外骨骼可以提供人體在行走過程中所需要的驅(qū)動(dòng)力,并具備良好的穩(wěn)定性。
【關(guān)鍵詞】：下肢助力外骨骼 動(dòng)力學(xué)模型 滑模控制 虛擬樣機(jī) 協(xié)同仿真
【學(xué)位授予單位】：北京林業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TP273
【目錄】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-7
• 1 緒論7-19
• 1.1 研究背景與意義7-8
• 1.2 下肢外骨骼機(jī)械系統(tǒng)研究進(jìn)展8-12
• 1.3 下肢外骨骼控制策略研究進(jìn)展12-17
• 1.3.1 步態(tài)康復(fù)用外骨骼控制策略12-14
• 1.3.2 運(yùn)動(dòng)輔助用外骨骼控制策略14-16
• 1.3.3 力量擴(kuò)展用外骨骼控制策略16-17
• 1.4 實(shí)驗(yàn)室已有下肢外骨骼機(jī)器人及本文研究內(nèi)容17-19
• 2 機(jī)械結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)19-34
• 2.1 引言19
• 2.2 人體關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)概述19-21
• 2.3 機(jī)械機(jī)構(gòu)改進(jìn)21-24
• 2.3.1 整體改進(jìn)設(shè)計(jì)方案21-22
• 2.3.2 大小腿以及腰部可調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)22-23
• 2.3.3 腰托靠背及綁帶連接件設(shè)計(jì)23
• 2.3.4 膝關(guān)節(jié)限位設(shè)計(jì)23
• 2.3.5 驅(qū)動(dòng)電機(jī)選擇23-24
• 2.4 外骨骼運(yùn)動(dòng)模型24-27
• 2.5 基于牛頓-歐拉機(jī)器人動(dòng)力學(xué)分析27-29
• 2.5.1 計(jì)算各關(guān)節(jié)的角速度27-28
• 2.5.2 計(jì)算各關(guān)節(jié)的角加速度28
• 2.5.3 計(jì)算各轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)的線加速度28
• 2.5.4 計(jì)算各桿件的質(zhì)心線加速度28
• 2.5.5 計(jì)算各桿件上所受的力28-29
• 2.5.6 計(jì)算各桿件上所受的力矩29
• 2.5.7 計(jì)算關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器上的力矩29
• 2.6 基于ADAMS的機(jī)械結(jié)構(gòu)仿真分析29-33
• 2.6.1 在ADAMS中進(jìn)行模型初始化30
• 2.6.2 為下肢助力外骨骼添加約束30-31
• 2.6.3 為下肢助力外骨骼添加驅(qū)動(dòng)函數(shù)31-32
• 2.6.4 仿真結(jié)果32-33
• 2.7 本章小結(jié)33-34
• 3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)34-45
• 3.1 引言34
• 3.2 外骨骼控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)34-35
• 3.3 外骨骼電機(jī)控制板設(shè)計(jì)35-37
• 3.4 外骨骼傳感器信息采集板設(shè)計(jì)37-43
• 3.4.1 編碼器介紹及其軟件控制程序38-39
• 3.4.2 足底壓力傳感器介紹及其軟件控制程序39-41
• 3.4.3 拉桿式直線位移傳感器介紹及軟件控制程序41-42
• 3.4.4 加速度傳感器介紹及軟件控制程序42-43
• 3.5 總體控制程序43-44
• 3.6 本章小結(jié)44-45
• 4 人機(jī)協(xié)調(diào)控制算法及穿戴實(shí)驗(yàn)45-56
• 4.1 引言45
• 4.2 基于比例切換函數(shù)的滑�？刂�45-46
• 4.3 ADAMS與Simulink協(xié)同仿真46-51
• 4.3.1 ADAMS軟件中外骨骼樣機(jī)設(shè)置48-50
• 4.3.2 Simulink軟件中建立算法模型50-51
• 4.4 仿真結(jié)果分析51-53
• 4.5 穿戴實(shí)驗(yàn)53-55
• 4.6 本章小結(jié)55-56
• 5 總結(jié)與展望56-58
• 5.1 本文研究工作內(nèi)容56
• 5.2 展望56-58
• 參考文獻(xiàn)58-61
• 個(gè)人簡介61-62
• 導(dǎo)師簡介62-63
• 獲得成果目錄63-64
• 致謝64

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