踝关节柔性外骨骼设计与控制研究
发布时间：2021-10-23 08:57
目前下肢助力外骨骼机器人一般采用髋关节、膝关节、踝关节一体化设计,存在质量重、体积大、无外界能量输入时机械结构成为负担等缺点,导致传统下肢助力外骨骼效率低、续航能力弱、穿戴舒适性差并且无法为各下肢关节提供定制化辅助。因此设计并研究能够根据各下肢关节生理特点提供辅助的模块化轻量型柔性单关节下肢外骨骼十分有研究意义。由于在人类行走过程中踝关节提供人体推进的主要能量,因此踝关节助力外骨骼的设计在模块化轻量型柔性外骨骼的研究中具有至关重要的地位和作用。本文针对柔性轻量化踝关节外骨骼的机械本体、上层控制策略以及下层控制算法进行设计和研究,并通过仿真和实验验证了本文完成工作的有效性。机械机构本体方面,基于人体生物学基础提出两套踝关节柔性外骨骼设计方案。综合考虑施力方式、力臂长度、空间占有率,最终确定第二种纵向施力式外骨骼。该外骨骼采用绳索弹簧传动,通过优化弹簧刚度,使得外骨骼电机输出峰值功率下降了52.8%。在上层控制方面,以判断辅助力矩提供时机为目的,通过对实验数据的研究和观察,识别人体行走过程中的小腿倾角特征值,提出基于IMU的时域控制策略,可提前0.034s判断人体运动状态,且效果好,可替代...
【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 课题背景与研究的目的和意义
1.1.1 课题的来源
1.1.2 课题研究的背景和意义
1.2 国内外在该方向上的研究现状及分析
1.2.1 国外研究现状
1.2.2 国内研究现状
1.3 问题描述
1.4 主要研究内容
第2章 踝关节柔性外骨骼建模与优化设计
2.1 引言
2.2 踝关节柔性外骨骼设计目标
2.3 踝关节柔性外骨骼模型建立
2.3.1 踝关节柔性外骨骼建模的生物学机理
2.3.2 踝关节柔性外骨骼设计总体方案
2.4 踝关节柔性外骨骼优化设计
2.4.1 踝关节柔性外骨骼人机一体模型的建立
2.4.2 踝关节柔性外骨骼系统设计
2.4.3 踝关节柔性外骨骼的结构评价分析
2.5 本章小结
第3章 踝关节柔性外骨骼控制策略研究
3.1 引言
3.2 踝关节柔性外骨骼的控制系统设计
3.3 踝关节柔性外骨骼上层控制研究
3.3.1 踝关节柔性外骨骼上层控制设计基础
3.3.2 基于IMU的时域控制上层控制
3.4 踝关节柔性外骨骼的下层控制研究
3.4.1 踝关节柔性外骨骼下层控制设计基础
3.4.2 基于传统PID控制
3.4.3 基于速度和力矩补偿控制
3.4.4 基于卡尔曼滤波的速度和力矩补偿控制
3.4.5 基于卡尔曼滤波和RBF神经网络的速度和力矩补偿控制
3.5 本章小结
第4章 实验验证研究
4.1 引言
4.2 踝关节柔性外骨骼实验系统设计
4.2.1 硬件系统
4.2.2 软件系统
4.3 踝关节柔性外骨骼参数设置
4.3.1 交流伺服电机设置
4.3.2 伺服驱动器的设置
4.3.3 软件限位的设置
4.4 弹簧刚度优化实验验证
4.5 踝关节柔性外骨骼上层控制系统验证研究
4.6 踝关节柔性外骨骼下层控制系统验证研究
4.7 踝关节柔性外骨骼性能的实验评价
4.8 本章小结
结论
参考文献
攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]人口老龄化、生育政策调整与中国经济增长[J]. 汪伟. 经济学(季刊). 2017(01)
[2]下肢外骨骼助行机器人研究现状及发展趋势[J]. 刘会勇,赵青. 机械设计与制造. 2013(08)
[3]外骨骼机器人技术研究综述[J]. 蔡兆云,肖湘江. 国防科技. 2007(12)
[4]基于MATLAB的RBF神经网络建模及应用[J]. 王艳芹,张维. 大庆师范学院学报. 2007(02)
博士论文
[1]新型下肢外骨骼的机构性能设计方法研究[D]. 缪云洁.上海交通大学 2015
硕士论文
[1]下肢康复机器人运动控制策略的研究[D]. 吕显耀.哈尔滨工业大学 2017
[2]下肢助力外骨骼机器人的研究[D]. 彭延云.哈尔滨工业大学 2016
[3]多自由度下肢外骨骼控制系统研究[D]. 刘志娟.浙江大学 2011
[4]基于肌电信号控制的康复医疗下肢外骨骼设计及研究[D]. 费烨赟.浙江大学 2006
本文编号：3452890
【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 课题背景与研究的目的和意义
1.1.1 课题的来源
1.1.2 课题研究的背景和意义
1.2 国内外在该方向上的研究现状及分析
1.2.1 国外研究现状
1.2.2 国内研究现状
1.3 问题描述
1.4 主要研究内容
第2章 踝关节柔性外骨骼建模与优化设计
2.1 引言
2.2 踝关节柔性外骨骼设计目标
2.3 踝关节柔性外骨骼模型建立
2.3.1 踝关节柔性外骨骼建模的生物学机理
2.3.2 踝关节柔性外骨骼设计总体方案
2.4 踝关节柔性外骨骼优化设计
2.4.1 踝关节柔性外骨骼人机一体模型的建立
2.4.2 踝关节柔性外骨骼系统设计
2.4.3 踝关节柔性外骨骼的结构评价分析
2.5 本章小结
第3章 踝关节柔性外骨骼控制策略研究
3.1 引言
3.2 踝关节柔性外骨骼的控制系统设计
3.3 踝关节柔性外骨骼上层控制研究
3.3.1 踝关节柔性外骨骼上层控制设计基础
3.3.2 基于IMU的时域控制上层控制
3.4 踝关节柔性外骨骼的下层控制研究
3.4.1 踝关节柔性外骨骼下层控制设计基础
3.4.2 基于传统PID控制
3.4.3 基于速度和力矩补偿控制
3.4.4 基于卡尔曼滤波的速度和力矩补偿控制
3.4.5 基于卡尔曼滤波和RBF神经网络的速度和力矩补偿控制
3.5 本章小结
第4章 实验验证研究
4.1 引言
4.2 踝关节柔性外骨骼实验系统设计
4.2.1 硬件系统
4.2.2 软件系统
4.3 踝关节柔性外骨骼参数设置
4.3.1 交流伺服电机设置
4.3.2 伺服驱动器的设置
4.3.3 软件限位的设置
4.4 弹簧刚度优化实验验证
4.5 踝关节柔性外骨骼上层控制系统验证研究
4.6 踝关节柔性外骨骼下层控制系统验证研究
4.7 踝关节柔性外骨骼性能的实验评价
4.8 本章小结
结论
参考文献
攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]人口老龄化、生育政策调整与中国经济增长[J]. 汪伟. 经济学(季刊). 2017(01)
[2]下肢外骨骼助行机器人研究现状及发展趋势[J]. 刘会勇,赵青. 机械设计与制造. 2013(08)
[3]外骨骼机器人技术研究综述[J]. 蔡兆云,肖湘江. 国防科技. 2007(12)
[4]基于MATLAB的RBF神经网络建模及应用[J]. 王艳芹,张维. 大庆师范学院学报. 2007(02)
博士论文
[1]新型下肢外骨骼的机构性能设计方法研究[D]. 缪云洁.上海交通大学 2015
硕士论文
[1]下肢康复机器人运动控制策略的研究[D]. 吕显耀.哈尔滨工业大学 2017
[2]下肢助力外骨骼机器人的研究[D]. 彭延云.哈尔滨工业大学 2016
[3]多自由度下肢外骨骼控制系统研究[D]. 刘志娟.浙江大学 2011
[4]基于肌电信号控制的康复医疗下肢外骨骼设计及研究[D]. 费烨赟.浙江大学 2006
本文编号：3452890
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/zidonghuakongzhilunwen/3452890.html
