本文關(guān)鍵詞：可穿戴上肢外骨骼的研發(fā)及實(shí)驗(yàn)，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：近年來,外骨骼作為增強(qiáng)人體力量、輔助人體訓(xùn)練等方面被廣泛而深入的研究。同時(shí)外骨骼也是集機(jī)械、電氣、傳感器、空間控制于一體的人機(jī)智能系統(tǒng),被廣泛的應(yīng)用于軍事、醫(yī)療、救援和日常生活中。但現(xiàn)在成熟的外骨骼是全身骨骼或只針對(duì)下肢所設(shè)計(jì)的,其價(jià)格昂貴、設(shè)計(jì)維護(hù)復(fù)雜、自身重量大,難以滿足現(xiàn)在市場(chǎng)對(duì)外骨骼的需求。本文在分析人體上臂運(yùn)動(dòng)機(jī)理的基礎(chǔ)上,研究和設(shè)計(jì)了一套輕量化、靈活度高和成本較低的可穿戴上肢外骨骼。首先在分析人體上肢骨骼關(guān)節(jié)組成及運(yùn)動(dòng)方式,在參考骨骼運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)原理的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了基于電機(jī)驅(qū)動(dòng)的可穿戴上肢外骨骼機(jī)械臂。對(duì)上肢外骨骼進(jìn)行了空間運(yùn)動(dòng)學(xué)分析,獲得了關(guān)節(jié)角度與空間位置的關(guān)系。應(yīng)用拉格朗日法建立了動(dòng)力學(xué)方程,進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析;并應(yīng)用MATLAB軟件分析模擬手臂搬運(yùn)物體時(shí)的關(guān)節(jié)受力情況。本文在對(duì)人體上肢骨骼關(guān)節(jié)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的基礎(chǔ)上,對(duì)動(dòng)力關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)方式和控制方法進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)。選擇了磁場(chǎng)定向控制(FOC)算法的無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng),并完成驅(qū)動(dòng)的軟硬件設(shè)計(jì);并針對(duì)傳統(tǒng)PID控制器對(duì)外骨骼動(dòng)力關(guān)節(jié)控制存在的對(duì)外部干擾敏感、超調(diào)過大和響應(yīng)過慢等問題,利用自抗擾控制算法設(shè)計(jì)了自抗擾控制器克服了存在的控制問題,實(shí)現(xiàn)了對(duì)外骨骼動(dòng)力關(guān)節(jié)的控制。最后根據(jù)對(duì)可穿戴上肢外骨骼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及控制算法研究的基礎(chǔ)上,建立實(shí)驗(yàn)平臺(tái),制作動(dòng)力關(guān)節(jié)試樣,驗(yàn)證動(dòng)力關(guān)節(jié)控制算法及特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,可穿戴上肢外骨骼結(jié)構(gòu)合理,動(dòng)力關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng),控制可靠穩(wěn)定,響應(yīng)迅速,完全滿足實(shí)用要求。
【關(guān)鍵詞】：外骨骼 動(dòng)力學(xué)分析 FOC 自抗擾算法
【學(xué)位授予單位】：西華大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：R318.17
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 1 緒論8-14
• 1.1 研究背景及意義8
• 1.2 國(guó)內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢(shì)8-12
• 1.2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀8-11
• 1.2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀11-12
• 1.3 研究的主要內(nèi)容12-14
• 2 可穿戴上肢外骨骼的動(dòng)作及結(jié)構(gòu)分析14-24
• 2.1 人體上肢動(dòng)作分析14-15
• 2.2 可穿戴上肢外骨骼設(shè)計(jì)參數(shù)分析15-19
• 2.2.1 可穿戴上肢外骨骼自由度確定15-16
• 2.2.2 可穿戴上肢外骨骼運(yùn)動(dòng)范圍分析16-17
• 2.2.3 可穿戴上肢外骨骼手臂長(zhǎng)度分析17-18
• 2.2.4 可穿戴上肢外骨骼關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)方案18-19
• 2.3 可穿戴上肢外骨骼結(jié)構(gòu)分析19-23
• 2.4 本章小結(jié)23-24
• 3 可穿戴上肢外骨骼的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析24-37
• 3.1 可穿戴上肢外骨骼運(yùn)動(dòng)學(xué)分析24-27
• 3.2 可穿戴上肢外骨骼動(dòng)力學(xué)分析27-32
• 3.2.1 雅克比矩陣28-29
• 3.2.2 動(dòng)力學(xué)理論分析29-32
• 3.3 動(dòng)力學(xué)仿真32-36
• 3.4 本章小結(jié)36-37
• 4 可穿戴上肢外骨骼的動(dòng)力關(guān)節(jié)控制研究37-52
• 4.1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)選擇37-39
• 4.1.1 電機(jī)參數(shù)的計(jì)算37-38
• 4.1.2 電機(jī)的選擇38-39
• 4.2 直流無刷電機(jī)控制算法39-41
• 4.2.1 轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)39-40
• 4.2.2 磁場(chǎng)定向控制算法40-41
• 4.3 動(dòng)力關(guān)節(jié)控制信號(hào)輸入41-42
• 4.4 動(dòng)力關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)42-51
• 4.4.1 動(dòng)力關(guān)節(jié)元器件選擇42-46
• 4.4.2 動(dòng)力關(guān)節(jié)硬件電路的設(shè)計(jì)46-50
• 4.4.3 動(dòng)力關(guān)節(jié)控制軟件的實(shí)現(xiàn)50-51
• 4.5 本章小結(jié)51-52
• 5 可穿戴上肢外骨骼的關(guān)節(jié)控制算法仿真與實(shí)驗(yàn)52-72
• 5.1 PID控制算法的實(shí)現(xiàn)52-55
• 5.2 自抗擾控制算法的實(shí)現(xiàn)與仿真55-62
• 5.2.1 非線性跟蹤微分器的實(shí)現(xiàn)與仿真56-58
• 5.2.2 非線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器（ESO）的實(shí)現(xiàn)與仿真58-61
• 5.2.3 自抗擾控制算法的仿真61-62
• 5.3 可穿戴外骨骼實(shí)驗(yàn)62-71
• 5.3.1 可穿戴外骨骼電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)62-63
• 5.3.2 可穿戴外骨骼控制手臂信號(hào)實(shí)驗(yàn)63-69
• 5.3.3 可穿戴外骨骼關(guān)節(jié)控制實(shí)驗(yàn)69-71
• 5.4 本章小結(jié)71-72
• 結(jié)論72-73
• 參考文獻(xiàn)73-75
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表論文及科研成果75-76
• 致謝76-77

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