發(fā)布時(shí)間：2017-08-14 07:25

  本文關(guān)鍵詞：基于人體能量流動(dòng)特性的外骨骼低能耗驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)的研究

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【摘要】：如今,很多前沿的穿戴式下肢骨骼服能夠滿足人體的助力行走需求,在工程領(lǐng)域體現(xiàn)出重大的應(yīng)用價(jià)值,但外骨骼機(jī)器人在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)消耗大量的能量,能源是制約外骨骼技術(shù)發(fā)展的主要因素之一,研究節(jié)能技術(shù)是提高外骨骼機(jī)器人續(xù)航能力的重要途徑。在生物學(xué)研究領(lǐng)域發(fā)現(xiàn),人體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,各關(guān)節(jié)的能耗不是一成不變的,而是具有流動(dòng)特性,基于此,本文從研究人體運(yùn)動(dòng)過(guò)程入手,揭示肢體間能量流動(dòng)的規(guī)律,進(jìn)而獲悉各關(guān)節(jié)在此過(guò)程中所表現(xiàn)出的特性,以此建立人體關(guān)節(jié)能量流動(dòng)模型,從而指導(dǎo)外骨骼關(guān)節(jié)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和驅(qū)動(dòng)方法,提高外骨骼的能量利用效率,為提升外骨骼續(xù)航能力的研究奠定基礎(chǔ)。首先,分析了人體關(guān)節(jié)的幾何參數(shù),建立人體五桿模型的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)方程,利用運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)及捷聯(lián)慣導(dǎo)采集人體運(yùn)動(dòng)信息,求解不同運(yùn)動(dòng)速度下各關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)力矩及功率,并通過(guò)三維力臺(tái)系統(tǒng)的對(duì)比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了求解結(jié)果的正確性�；诖�,建立了人體各桿件及關(guān)節(jié)的能量流動(dòng)方程,得到人體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中能量的流動(dòng)特性。然后,基于上述能量流動(dòng)特性,分析得到運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)的力學(xué)特性,結(jié)合主-被動(dòng)力并聯(lián)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)的約束方程,建立了系統(tǒng)能耗模型。接著以膝關(guān)節(jié)為研究對(duì)象,基于系統(tǒng)能耗模型建立其能耗優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)及約束條件,應(yīng)用結(jié)合卡爾曼濾波的改進(jìn)遺傳算法,對(duì)膝關(guān)節(jié)負(fù)荷分配進(jìn)行了研究,建立了以能耗最優(yōu)為目的的關(guān)節(jié)力矩解耦算法。最后,搭建了直線電機(jī)對(duì)頂平臺(tái),進(jìn)行了節(jié)能效果對(duì)比實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了關(guān)節(jié)力矩解耦算法對(duì)于能耗優(yōu)化的可用性。在此基礎(chǔ)上,進(jìn)行了外骨骼服助力奔跑實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了基于關(guān)節(jié)力矩解耦算法的主-被動(dòng)并聯(lián)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié),能夠在外骨骼服助力過(guò)程中起到節(jié)省系統(tǒng)能耗的作用。
【關(guān)鍵詞】：能量流動(dòng) 并聯(lián)驅(qū)動(dòng) 能耗優(yōu)化 改進(jìn)遺傳算法
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TP242;R318
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 第1章 緒論8-17
• 1.1 課題來(lái)源及研究的目的和意義8
• 1.1.1 課題來(lái)源8
• 1.1.2 課題研究的背景和意義8
• 1.2 外骨骼機(jī)器人能耗優(yōu)化研究現(xiàn)狀8-15
• 1.2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀8-13
• 1.2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀13-15
• 1.3 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀綜述15-16
• 1.4 主要研究?jī)?nèi)容16-17
• 第2章 人體下肢動(dòng)力學(xué)建模及能量流動(dòng)特性分析17-32
• 2.1 引言17
• 2.2 人體簡(jiǎn)化模型及步態(tài)測(cè)定實(shí)驗(yàn)17-20
• 2.2.1 人體簡(jiǎn)化模型的建立及關(guān)節(jié)角度的定義17-19
• 2.2.2 步態(tài)測(cè)定實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)信息采集分析19-20
• 2.3 人體穩(wěn)定步態(tài)正運(yùn)動(dòng)學(xué)與逆動(dòng)力學(xué)分析20-25
• 2.3.1 穩(wěn)定步態(tài)下正運(yùn)動(dòng)學(xué)分析20-21
• 2.3.2 穩(wěn)定步態(tài)下逆動(dòng)力學(xué)分析21-22
• 2.3.3 關(guān)節(jié)力矩及功率解算及分析22-25
• 2.3.4 力臺(tái)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與分析25
• 2.4 平地行走與奔跑步態(tài)下的能量分析25-31
• 2.4.1 穩(wěn)定運(yùn)功步態(tài)下的能量守恒方程建立25-26
• 2.4.2 行走與奔跑步態(tài)下的動(dòng)勢(shì)能分析26-27
• 2.4.3 行走與奔跑步態(tài)下的能量流動(dòng)特征27-31
• 2.5 本章小結(jié)31-32
• 第3章 基于能效優(yōu)化的關(guān)節(jié)力矩解耦算法32-56
• 3.1 引言32
• 3.2 運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)力學(xué)特性及主被動(dòng)元件力學(xué)特性分析32-34
• 3.2.1 人體運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)力學(xué)特性分析32-33
• 3.2.2 主-被動(dòng)力學(xué)元件力學(xué)特性分析33-34
• 3.3 系統(tǒng)能耗模型與約束條件34-35
• 3.4 基于遺傳算法在膝關(guān)節(jié)力矩解耦中的應(yīng)用35-42
• 3.4.1 膝關(guān)節(jié)能耗模型建立36
• 3.4.2 遺傳算法在膝關(guān)節(jié)力矩優(yōu)化分配中的應(yīng)用36-42
• 3.5 基于卡爾曼濾波算法在膝關(guān)節(jié)力矩解耦中的應(yīng)用42-46
• 3.5.1 問(wèn)題分析與條件假設(shè)42-43
• 3.5.2 基于卡爾曼濾波算法的參數(shù)最優(yōu)值估算43-44
• 3.5.3 參數(shù)辨識(shí)結(jié)果分析44-46
• 3.6 基于改進(jìn)遺傳算法在膝關(guān)節(jié)力矩解耦中的應(yīng)用46-51
• 3.6.1 基于卡爾曼濾波算法的基本初始種群的改進(jìn)46-47
• 3.6.2 改進(jìn)遺傳算法在膝關(guān)節(jié)力矩優(yōu)化分配中的應(yīng)用47-50
• 3.6.3 算法性能比較50-51
• 3.7 基于改進(jìn)遺傳算法在髖關(guān)節(jié)力矩解耦中的應(yīng)用51-54
• 3.8 本章小結(jié)54-56
• 第4章 基于解耦算法的膝關(guān)節(jié)能效驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)56-68
• 4.1 引言56
• 4.2 膝關(guān)節(jié)外骨骼助力結(jié)構(gòu)56-57
• 4.3 主-被動(dòng)并聯(lián)驅(qū)動(dòng)單元對(duì)頂實(shí)驗(yàn)平臺(tái)57-65
• 4.3.1 對(duì)頂實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)57-59
• 4.3.2 電機(jī)的響應(yīng)速度及精度實(shí)驗(yàn)59-60
• 4.3.3 節(jié)能效果對(duì)比實(shí)驗(yàn)60-65
• 4.4 不同驅(qū)動(dòng)模式下穿戴外骨骼助力奔跑驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)65-67
• 4.4.1 不同驅(qū)動(dòng)模式下的節(jié)能對(duì)比實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建65-66
• 4.4.2 不同驅(qū)動(dòng)模式下的節(jié)能對(duì)比實(shí)驗(yàn)66-67
• 4.5 本章小結(jié)67-68
• 結(jié)論68-69
• 參考文獻(xiàn)69-74
• 致謝74

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本文編號(hào)：671448