下肢力量增強(qiáng)型攜行外骨骼系統(tǒng)(下稱外骨骼)是采用仿生設(shè)計(jì)的一種非主動(dòng)控制穿戴式負(fù)載裝備,理想工作狀態(tài)下運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與人體保持一致,關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)指令源自機(jī)載處理器對(duì)人體運(yùn)動(dòng)步態(tài)實(shí)時(shí)捕捉、處理后的預(yù)測(cè)。外骨骼與人體運(yùn)動(dòng)相關(guān)性強(qiáng),對(duì)人體常見運(yùn)動(dòng)步態(tài)的研究是外骨骼機(jī)械結(jié)構(gòu)及控制設(shè)計(jì)的重要基礎(chǔ)。其次,外骨骼的承載特點(diǎn)表明了力學(xué)計(jì)算的必要性,運(yùn)動(dòng)屬性表明了單純的靜力學(xué)計(jì)算不足以表現(xiàn)其動(dòng)態(tài)力學(xué)性能。對(duì)人體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的正確預(yù)測(cè)及提供可靠的動(dòng)力補(bǔ)償是外骨骼控制工作的核心內(nèi)容,如何設(shè)置滿足動(dòng)力補(bǔ)償要求的控制系統(tǒng)參數(shù)將是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要工作�；谝陨戏治�,本文主要做了以下工作： 1.利用動(dòng)態(tài)捕捉儀記錄的位于人體不同部位標(biāo)記點(diǎn)的三維坐標(biāo)變化數(shù)據(jù),擬合了人體在不同負(fù)載下以不同速率行走、單膝跪地和雙膝下蹲等不同工況中下肢關(guān)節(jié)步態(tài)變化曲線,通過對(duì)步態(tài)曲線分析研究得出人體運(yùn)動(dòng)步態(tài)的一般規(guī)律,該規(guī)律可用于指導(dǎo)外骨骼的仿生設(shè)計(jì),如自由度、關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)(移動(dòng))變化幅度,并用于外骨骼動(dòng)力分析的驅(qū)動(dòng)加載。 2.基于對(duì)人體運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)組成和運(yùn)動(dòng)步態(tài)的研究,運(yùn)用達(dá)朗貝爾-拉格朗日力學(xué)原理和相位空間分解原理建立外骨骼的五連桿行走模型,該模型可估算外骨骼下肢關(guān)節(jié)受力,分析系統(tǒng)能耗特點(diǎn)并估算外骨骼行走觸地過程能量損失。 3.建立外骨骼剛體動(dòng)力模型和有限元時(shí)程分析模型,使用人體關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)步態(tài)曲線加載,求解下肢關(guān)節(jié)受力、補(bǔ)償力矩以及下肢組件所受復(fù)合應(yīng)力時(shí)程變化曲線,動(dòng)態(tài)校核外骨骼強(qiáng)度,該分析可為系統(tǒng)組件選材、尺寸確定及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。 4.建立五連桿外骨骼雙膝下蹲控制仿真模型,實(shí)現(xiàn)外骨骼在ADAMS與Matlab環(huán)境中的聯(lián)合控制仿真。外骨骼運(yùn)動(dòng)姿態(tài)和關(guān)節(jié)幅度變化多樣,PID控制器可為系統(tǒng)控制保證較強(qiáng)的魯棒性。結(jié)合ADAMS動(dòng)力學(xué)計(jì)算優(yōu)勢(shì)和Matlab控制仿真優(yōu)勢(shì),進(jìn)行聯(lián)合控制仿真有助于方便并有效確定PID控制參數(shù)。 本論文選題結(jié)合教育部裝備預(yù)先研究項(xiàng)目和裝備部裝備預(yù)先研究項(xiàng)目,研究真實(shí)步態(tài)加載下外骨骼的力學(xué)性能,五連桿模型與虛擬樣機(jī)仿真分別求得解析解和數(shù)值解,為外骨骼組件的選材、尺寸確定及優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了依據(jù)和參考。系統(tǒng)的控制仿真也使外骨骼控制器參數(shù)的選擇成為可能。
【學(xué)位單位】：西南交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2014
【中圖分類】：TH113;R318

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2814943