下肢助力外骨骼人机交互力传感器设计及控制方法研究
发布时间：2021-10-27 16:11
外骨骼机器人是一种能够感知穿戴者的运动状态,并帮助穿戴者协调出力的智能穿戴式设备,可应用于工业、军事,民用等场合。本课题所研究的下肢助力外骨骼机器人主要应用于辅助穿戴者完成负重行走及增强穿戴者运动能力等工作。基于现有平台,本课题完成了外骨骼人机交互系统的设计和协同控制方法的研究,提升了外骨骼的感知能力和决策能力。全面而丰富的人机交互力信息是外骨骼感知人体运动的基础。本课题完成了脚底、小腿大腿及后背捆绑处的外骨骼机器人人机交互力传感器设计并进行了相应的性能测试。测试结果证明,本课题所研制的传感器具有较高的精度和实用性,可以为外骨骼机器人系统提供丰富的交互信息。外骨骼的动力学模型是外骨骼协同控制的基础,本文分析了传统的基于正立摆和倒立摆的外骨骼动力学建模方法的缺点后,设计了一种新型的基于脚底压力计算的统一化外骨骼动力学建模方法。该方法不再区分外骨骼的支撑相和摆动相,避免了支撑相和摆动相切换时造成的关节输出力不连续的问题,实现了脚底压力的平稳过渡。针对外骨骼的动力学模型参数,本文设计了一种基于梯度下降法的参数辨识方法,实现了对外骨骼动力学参数的准确辨识,提高了控制的精度。外骨骼对人体运动意图...
【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】：98 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
1.1 课题研究的背景和意义
1.2 下肢助力外骨骼现状分析
1.2.1 下肢助力外骨骼国外研究现状
1.2.2 助力外骨骼国内研究现状
1.2.3 国内外现状综述与简析
1.3 主要研究内容
1.4 现有实验平台
1.5 小结
第2章 外骨骼人机交互力传感器设计
2.1 引言
2.2 传感器系统设计需求分析
2.3 脚底分布式压力传感器设计
2.3.1 脚底压力传感器的需求分析
2.3.2 基于霍尔元件的脚底压力传感器设计原理
2.3.3 脚底压力传感器实验数据采集及特性分析
2.4 下肢外骨骼关节及捆绑处人机交互力传感器设计
2.4.1 膝关节基于串联弹性驱动的交互力传感器设计
2.4.2 三维交互力检测单元设计
2.4.3 三维力传感器结构及解耦算法设计与实验验证
2.4.4 可变增益三维力放大电路的设计
2.5 小结
第3章 下肢外骨骼动力学建模
3.1 引言
3.2 外骨骼统一化动力学模型建立
3.2.1 传统外骨骼动力学建模方法分析
3.2.2 统一化外骨骼动力学模型的建立
3.3 外骨骼关节运动状态的获取
3.4 基于梯度下降法的外骨骼动力学参数辨识
3.4.1 外骨骼动力学参数的离线辨识
3.4.2 外骨骼负载重量及重心位置的在线辨识
3.5 小结
第4章 外骨骼控制策略研究
4.1 引言
4.2 基于RNN模型的外骨骼运动状态预测
4.2.1 RNN网络对时间序列的预测
4.2.2 RNN网络模型的选取
4.2.3 基于LSTM网络的外骨骼运动状态预测
4.3 基于多人机交互力的闭环实时控制目标的建立
4.3.1 关节力矩与交互力映射的建立
4.3.2 多交互力最小化控制算法的设计
4.4 外骨骼整体控制策略设计
4.4.1 外骨骼前馈控制系统的建立
4.4.2 基于脚底末端力计算的外骨骼控制策略的建立
4.4.3 基于多交互力最小化算法的外骨骼闭环控制策略的建立
4.5 小结
第5章 主被动外骨骼实验研究
5.1 引言
5.2 下肢外骨骼硬件及控制系统集成
5.2.1 外骨骼机器人平台的结构设计
5.2.2 外骨骼机器人平台的电控系统集成
5.3 下肢外骨骼实验研究
5.3.1 外骨骼负重性能实验研究
5.3.2 外骨骼运动灵活性实验研究
5.3.3 外骨骼环境适应性实验研究
5.4 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]人体步态分析与负重外骨骼机器人的动力学仿真[J]. 陈梁军,孔令成,王玉成,曹志刚,朱红生. 科学技术与工程. 2016(27)
[2]基于多自由度分析的负重型下肢外骨骼机构优化[J]. 陈志青,曹恒,朱钧,吕荣安. 机械传动. 2016(07)
[3]人体外骨骼服技术综述[J]. 张向刚,秦开宇,石宇亮. 计算机科学. 2015(08)
[4]人体下肢外骨骼机器人的发展及关键技术分析[J]. 柯显信,陈玉亮,唐文彬. 机器人技术与应用. 2009(06)
博士论文
[1]下肢外骨骼人体运动预测与人机协调控制技术研究[D]. 龙亿.哈尔滨工业大学 2017
硕士论文
[1]主被动结合式下肢助力外骨骼机器人研制[D]. 马舜.哈尔滨工业大学 2017
[2]下肢外骨骼机器人控制系统研究[D]. 阿布都卡哈尔·阿布力米提（Abudukahar）.哈尔滨工程大学 2016
[3]外骨骼助力机器人控制系统设计与控制策略研究[D]. 许长华.哈尔滨工业大学 2015
[4]自主减重外骨骼下肢机器人的混合控制系统设计与实现[D]. 郑航明.电子科技大学 2014
[5]机器学习在可穿戴人体外骨骼系统步态识别中的应用研究[D]. 赵草原.电子科技大学 2013
[6]下肢外骨骼助力机器人系统研究[D]. 杨杰乾.哈尔滨工程大学 2012
[7]多自由度下肢外骨骼控制系统研究[D]. 刘志娟.浙江大学 2011
[8]下肢外骨骼康复机器人表面肌电控制的仿真研究[D]. 王永奉.河北工业大学 2011
本文编号：3461943
【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】：98 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
1.1 课题研究的背景和意义
1.2 下肢助力外骨骼现状分析
1.2.1 下肢助力外骨骼国外研究现状
1.2.2 助力外骨骼国内研究现状
1.2.3 国内外现状综述与简析
1.3 主要研究内容
1.4 现有实验平台
1.5 小结
第2章 外骨骼人机交互力传感器设计
2.1 引言
2.2 传感器系统设计需求分析
2.3 脚底分布式压力传感器设计
2.3.1 脚底压力传感器的需求分析
2.3.2 基于霍尔元件的脚底压力传感器设计原理
2.3.3 脚底压力传感器实验数据采集及特性分析
2.4 下肢外骨骼关节及捆绑处人机交互力传感器设计
2.4.1 膝关节基于串联弹性驱动的交互力传感器设计
2.4.2 三维交互力检测单元设计
2.4.3 三维力传感器结构及解耦算法设计与实验验证
2.4.4 可变增益三维力放大电路的设计
2.5 小结
第3章 下肢外骨骼动力学建模
3.1 引言
3.2 外骨骼统一化动力学模型建立
3.2.1 传统外骨骼动力学建模方法分析
3.2.2 统一化外骨骼动力学模型的建立
3.3 外骨骼关节运动状态的获取
3.4 基于梯度下降法的外骨骼动力学参数辨识
3.4.1 外骨骼动力学参数的离线辨识
3.4.2 外骨骼负载重量及重心位置的在线辨识
3.5 小结
第4章 外骨骼控制策略研究
4.1 引言
4.2 基于RNN模型的外骨骼运动状态预测
4.2.1 RNN网络对时间序列的预测
4.2.2 RNN网络模型的选取
4.2.3 基于LSTM网络的外骨骼运动状态预测
4.3 基于多人机交互力的闭环实时控制目标的建立
4.3.1 关节力矩与交互力映射的建立
4.3.2 多交互力最小化控制算法的设计
4.4 外骨骼整体控制策略设计
4.4.1 外骨骼前馈控制系统的建立
4.4.2 基于脚底末端力计算的外骨骼控制策略的建立
4.4.3 基于多交互力最小化算法的外骨骼闭环控制策略的建立
4.5 小结
第5章 主被动外骨骼实验研究
5.1 引言
5.2 下肢外骨骼硬件及控制系统集成
5.2.1 外骨骼机器人平台的结构设计
5.2.2 外骨骼机器人平台的电控系统集成
5.3 下肢外骨骼实验研究
5.3.1 外骨骼负重性能实验研究
5.3.2 外骨骼运动灵活性实验研究
5.3.3 外骨骼环境适应性实验研究
5.4 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]人体步态分析与负重外骨骼机器人的动力学仿真[J]. 陈梁军,孔令成,王玉成,曹志刚,朱红生. 科学技术与工程. 2016(27)
[2]基于多自由度分析的负重型下肢外骨骼机构优化[J]. 陈志青,曹恒,朱钧,吕荣安. 机械传动. 2016(07)
[3]人体外骨骼服技术综述[J]. 张向刚,秦开宇,石宇亮. 计算机科学. 2015(08)
[4]人体下肢外骨骼机器人的发展及关键技术分析[J]. 柯显信,陈玉亮,唐文彬. 机器人技术与应用. 2009(06)
博士论文
[1]下肢外骨骼人体运动预测与人机协调控制技术研究[D]. 龙亿.哈尔滨工业大学 2017
硕士论文
[1]主被动结合式下肢助力外骨骼机器人研制[D]. 马舜.哈尔滨工业大学 2017
[2]下肢外骨骼机器人控制系统研究[D]. 阿布都卡哈尔·阿布力米提（Abudukahar）.哈尔滨工程大学 2016
[3]外骨骼助力机器人控制系统设计与控制策略研究[D]. 许长华.哈尔滨工业大学 2015
[4]自主减重外骨骼下肢机器人的混合控制系统设计与实现[D]. 郑航明.电子科技大学 2014
[5]机器学习在可穿戴人体外骨骼系统步态识别中的应用研究[D]. 赵草原.电子科技大学 2013
[6]下肢外骨骼助力机器人系统研究[D]. 杨杰乾.哈尔滨工程大学 2012
[7]多自由度下肢外骨骼控制系统研究[D]. 刘志娟.浙江大学 2011
[8]下肢外骨骼康复机器人表面肌电控制的仿真研究[D]. 王永奉.河北工业大学 2011
本文编号：3461943
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