動力外骨骼系統(tǒng)將人的智能決策和機(jī)器人的動力輸出相結(jié)合,是一種典型的人機(jī)交互系統(tǒng),在工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療康復(fù)和軍事戰(zhàn)略等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用背景。作為人機(jī)一體化系統(tǒng)中的主要組成元素,外骨骼需要具備跟隨使用者運動的能力,確保二者具有相同的運動軌跡。本研究針對上肢外骨骼系統(tǒng)對于運動性能、傳感控制等方面的要求,研究并設(shè)計了上肢柔性動力外骨骼系統(tǒng)。本研究主要從理論和實踐兩個層次出發(fā),首先以螺旋理論為基礎(chǔ),提出了一種基于約束支鏈的少自由度混聯(lián)機(jī)構(gòu)構(gòu)型方法。接著,從柔性桿件的大變形的機(jī)理分析出發(fā),提出了柔性桿件在平面以及三維空間的簡化模型,并基于柔性桿件的簡化模型,對外骨骼的運動學(xué)模型進(jìn)行分析。然后,提出了基于表面肌電信號的肌電力模型,用于預(yù)測手部作用力的方向。最后,基于外骨骼的運動學(xué)模型和肌電力模型,提出了外骨骼的模糊控制策略,用于外骨骼的運動控制。針對混聯(lián)機(jī)構(gòu)設(shè)計及分析復(fù)雜的問題,本研究基于螺旋理論,分析了運動軸線間的相互關(guān)系,并提出了構(gòu)建運動軸線間的約束支鏈的方法,進(jìn)而通過對并聯(lián)機(jī)構(gòu)添加約束支鏈,實現(xiàn)少自由度混聯(lián)機(jī)構(gòu)的構(gòu)型設(shè)計。并依此對柔性外骨骼機(jī)構(gòu)進(jìn)行構(gòu)型設(shè)計。針對柔性桿件大變形問題,本研究基于樣條...

【文章頁數(shù)】：168 頁

【學(xué)位級別】：博士

【文章目錄】：
致謝
摘要
ABSTRACT
1 引言
    1.1 動力外骨骼系統(tǒng)的概念
    1.2 動力外骨骼的研究進(jìn)展
        1.2.1 早期的外骨骼發(fā)展
        1.2.2 美國的外骨骼項目
        1.2.3 歐洲的外骨骼研究
        1.2.4 亞洲的外骨骼研究
        1.2.5 其他國家的外骨骼研究
        1.2.6 國內(nèi)的外骨骼研究
    1.3 上肢柔性動力外骨骼系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)及研究難點
    1.4 論文研究目的及主要研究內(nèi)容
2 上肢柔性動力外骨骼系統(tǒng)設(shè)計
    2.1 人體上肢關(guān)節(jié)運動機(jī)理研究
        2.1.1 上肢生理結(jié)構(gòu)
        2.1.2 上肢關(guān)節(jié)運動分析
        2.1.3 上肢運動測量分析
    2.2 上肢柔性動力外骨骼機(jī)械結(jié)構(gòu)
        2.2.1 外骨骼機(jī)構(gòu)本體設(shè)計
        2.2.2 肩關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計
        2.2.3 肘關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計
    2.3 外骨骼驅(qū)動系統(tǒng)
    2.4 外骨骼傳感器系統(tǒng)
    2.5 外骨骼控制系統(tǒng)
    2.6 本章小結(jié)
3 上肢柔性動力外骨骼機(jī)構(gòu)設(shè)計
    3.1 理論基礎(chǔ)
        3.1.1 螺旋理論
        3.1.1 兩軸線間的關(guān)系
    3.2 一種基于約束支鏈的混聯(lián)機(jī)構(gòu)構(gòu)型綜合方法
        3.2.1 運動軸線的約束關(guān)系
        3.2.2 等效約束支鏈
        3.2.3 構(gòu)型綜合方法
    3.3 帶有約束支鏈的2RnT混聯(lián)機(jī)構(gòu)構(gòu)型綜合
        3.3.1 過自由度并聯(lián)平臺構(gòu)型設(shè)計
        3.3.2 轉(zhuǎn)動約束支鏈構(gòu)型綜合
        3.3.3 裝配混聯(lián)機(jī)構(gòu)
    3.4 柔性外骨骼機(jī)構(gòu)設(shè)計
        3.4.2 肩關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)計
        3.4.2 肘關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)計
    3.5 本章小結(jié)
4 上肢柔性動力外骨骼運動學(xué)分析
    4.1 柔性元件的建模分析
        4.1.1 樣條偽剛體模型
        4.1.2 樣條偽剛體動力學(xué)方程
        4.1.3 樣條偽剛體特征參數(shù)優(yōu)化
    4.2 運動支鏈運動學(xué)分析
        4.2.1 樣條科瑟拉模型
        4.2.2 驅(qū)動組件運動學(xué)分析
    4.3 上肢柔性動力外骨骼系統(tǒng)運動學(xué)分析
        4.3.1 外骨骼肩關(guān)節(jié)運動學(xué)分析
        4.3.2 外骨骼肘關(guān)節(jié)運動學(xué)分析
        4.3.3 工作空間分析
    4.4 仿真實驗及分析
        4.4.1 樣條偽剛體模型仿真
        4.4.2 外骨骼運動仿真
    4.5 本章小結(jié)
5 基于多傳感器信息融合的上肢多關(guān)節(jié)運動意圖識別
    5.1 上肢解剖學(xué)分析
    5.2 實驗平臺設(shè)計與搭建
        5.2.1 表面肌電傳感器設(shè)計
        5.2.2 姿態(tài)傳感器設(shè)計
        5.2.3 六維力傳感器設(shè)計
        5.2.4 實驗平臺設(shè)計
    5.3 上肢運動實驗數(shù)據(jù)預(yù)處理
        5.3.1 小波變換
        5.3.2 肌電力映射矩陣
        5.3.3 偽逆矩陣
    5.4 意圖識別算法
        5.4.1 算法模型
        5.4.2 直接訓(xùn)練法
        5.4.3 預(yù)處理訓(xùn)練法
        5.4.4 轉(zhuǎn)換矩陣訓(xùn)練法
    5.5 仿真實驗及分析
        5.5.1 肌電信號數(shù)據(jù)處理分析
        5.5.2 神經(jīng)訓(xùn)練結(jié)果分析
        5.5.3 實驗結(jié)果討論
    5.6 本章小結(jié)
6 基于模糊控制器的外骨骼控制策略研究
    6.1 人機(jī)運動協(xié)調(diào)控制策略
    6.2 外骨骼控制算法研究
        6.2.1 基于多傳感器的驅(qū)動力分析
        6.2.2 關(guān)節(jié)電機(jī)驅(qū)動器設(shè)計
        6.2.3 模糊控制器設(shè)計
        6.2.4 控制算法的實現(xiàn)
    6.3 康復(fù)訓(xùn)練控制策略
        6.3.1 改進(jìn)的人工勢場法
        6.3.2 外骨骼運動軌跡規(guī)劃算法
        6.3.3 康復(fù)訓(xùn)練控制算法的實驗
    6.4 仿真實驗及分析
        6.4.1 外骨骼助力運動控制實驗
        6.4.2 外骨骼康復(fù)訓(xùn)練控制實驗
    6.5 本章小結(jié)
7 總結(jié)與展望
    7.1 總結(jié)
    7.2 論文主要創(chuàng)新點
    7.3 展望
參考文獻(xiàn)
附錄A
作者簡歷及攻讀博士學(xué)位期間取得的研究成果
學(xué)位論文數(shù)據(jù)集



本文編號：3777370