变刚度人体助力执行器设计与控制

发布时间：2021-05-24 13:38

　　当前外骨骼助力设备研究蓬勃发展,在解决老年人行动困难、辅助高强度劳动与增强军事单兵作战方面具有广阔运用前景。通常在外骨骼上使用电机直驱或串联弹簧执行器形式对人体进行助力,由于人体关节具有动态刚度特性,助力时容易产生冲击顿挫与扰乱正常运动的情况。这不仅给外骨骼控制设计带来严苛要求,也使得难以提升助力等级。此时需要大量实验数据来探索外部助力执行器与人体关节刚度匹配问题。变刚度执行器（VSA）作为物理变刚度机构,具有动态刚度调节、刚度控制带宽高等特点,契合刚度匹配实验。因此本文设计了一款基于板簧的小型变刚度执行器,结合控制系统能自动识别人体行走相位状态,动态调节执行器内部刚度的同时对人体进行助力,可有效对人体不同运动状态下进行刚度匹配实验。依据人体下肢运动参数,本文首先提出变刚度实验设计要求,输出力矩与变刚度动态响应标准。随后基于四连杆机构端点具有二自由度的运动特性,使用板簧作为弹性元件,确立变刚度机械原理并完成机构详细机械设计,建立并分析相应理论动力学模型。此后本文使用Abaqus提取板簧模态并生成柔性体模型中性文件导入Adams中,对变刚度机构进行力矩-刚度单向加载实验与往复加载实验。分... 

【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校

【文章页数】：73 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 课题来源及研究的背景和意义
    1.1 课题来源
    1.2 研究背景和意义
    1.3 研究现状及分析
        1.3.1 硬件设计
        1.3.2 控制设计
        1.3.3 文献综述的简析
    1.4 本文主要研究内容
第2章 变刚度执行器设计与模型建立
    2.1 实验设计
    2.2 刚度定义与设计要求
    2.3 结构原理及机构设计
        2.3.1 结构原理
        2.3.2 主要参数设计
        2.3.3 结构设计
    2.4 动力学模型推导与分析
        2.4.1 动力学模型推导
        2.4.2 动力学模型分析
        2.4.3 控制规划
    2.5 仿真模型建立与刚度修正
        2.5.1 仿真模型建立
        2.5.2 刚度测试实验
        2.5.3 刚度修正与工作区间
    2.6 本章小结
第3章 基于CPG人体运动相位识别算法
    3.1 CPG识别算法收敛原理
    3.2 CPG算法收敛性分析
        3.2.1 扰动理论说明
        3.2.2 同频率相位收敛证明
        3.2.3 频率收敛推导
        3.2.4 频率收敛性质
    3.3 相位识别算法构建与仿真测试
        3.3.1 算法构建
        3.3.2 仿真测试
    3.4 本章小结
第4章 变刚度执行器底层控制
    4.1 前置机构控制设计
        4.1.1 控制设计
        4.1.2 参数配置
        4.1.3 仿真测试
    4.2 弹性输出架模型预测控制
        4.2.1 人机接触模型处理
        4.2.2 线性化与离散化
        4.2.3 输出预测
        4.2.4 目标函数及二次规划建立
        4.2.5 控制参数设定
        4.2.6 仿真测试
    4.3 本章小结
结论
参考文献
致谢


【参考文献】：
期刊论文
[1]外骨骼机器人系统中人体下肢关节力矩动态解算[J]. 郭伟,杨丛为,邓静,查富生.  机械与电子. 2015(10)



本文编号：3204279