下肢外骨骼机器人行走稳定性研究与应用

发布时间：2022-12-11 21:40

　　截止2019年,我国下肢运动功能障碍患者人数超过8500万。目前,有些患者通过下肢外骨骼机器人进行行走康复训练,而现有下肢外骨骼机器人存在行走稳定性差的问题,所以大多需要与拐杖配合使用,使用拐杖又会给下肢运动障碍患者造成行动上的不便和心理上的不良影响。为了患者能在下肢外骨骼机器人的辅助下摆脱拐杖,进行自由行走的康复训练,本论文对下肢外骨骼机器人的行走稳定性问题,通过运动学与动力学模型的建立、行走稳定性的分析、稳定性控制算法的设计及其实验验证进行了研究。主要研究内容如下:（1）建立下肢外骨骼机器人运动学与动力学模型。基于D-H法构建下肢外骨骼机器人正运动学模型,以求解摆动腿末端轨迹曲线。提出了Jacobian的下肢外骨骼机器人逆运动学模型构建方法,该方法的优点是能够快速获取各个关节角度轨迹,实时性更强。基于Lagrangian法建立下肢外骨骼机器人动力学模型,以求出各个关节角度和力矩之间的关系,为行走稳定性控制提供理论基础。通过Open Sim软件仿真,验证了基于Jacobian法逆运动学模型的准确性。对动力学建模,仿真出髋关节、膝关节力矩变化曲线。（2）依据ZMP理论,提出了一种基于脚... 

【文章页数】：89 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
    1.1 选题背景与研究意义
    1.2 下肢外骨骼机器人研究现状
        1.2.1 国内研究现状
        1.2.2 国外研究现状
    1.3 下肢外骨骼机器人关键问题
    1.4 本文研究内容及章节安排
    1.5 本文创新点
第2章 下肢外骨骼机器人的运动学与动力学建模
    2.1 引言
    2.2 下肢外骨骼机器人的运动学分析
        2.2.1 运动学概述
        2.2.2 位姿描述
        2.2.3 坐标的齐次变换
        2.2.4 下肢外骨骼机器人各部分定义
        2.2.5 D-H方法
    2.3 下肢外骨骼机器人运动学模型
        2.3.1 基于D-H参数的下肢外骨骼机器人正运动学模型
        2.3.2 基于Jacobian矩阵的下肢外骨骼机器人逆运动学模型
        2.3.3 下肢外骨骼机器人逆运动学模型验证仿真
    2.4 下肢外骨骼机器人动力学模型
        2.4.1 Lagrangian法简介
        2.4.2 基于Lagrangian法的下肢外骨骼机器人动力学模型
        2.4.3 下肢外骨骼机器人动力学模型仿真
    2.5 本章小结
第3章 下肢外骨骼机器人的行走稳定性分析
    3.1 引言
    3.2 行走稳定性理论分析
        3.2.1 ZMP基础理论分析
        3.2.2 ZMP坐标传统获取方法
        3.2.3 基于脚底压力的ZMP实时坐标快速获取法
        3.2.4 行走过程中脚底反作用力仿真
    3.3 基于ZMP的下肢外骨骼机器人行走稳定性分析
        3.3.1 下肢外骨骼机器人不同时刻行走状态的定义
        3.3.2 下肢外骨骼机器人行走触发条件
    3.4 下肢外骨骼机器人行走动作规划
        3.4.1 下肢外骨骼机器人行走轨迹规划
        3.4.2 下肢外骨骼机器人摆动腿末端轨迹规划
        3.4.3 下肢外骨骼机器人行走规划轨迹仿真
    3.5 本章小结
第4章 下肢外骨骼机器人行走稳定性控制
    4.1 引言
    4.2 下肢外骨骼机器人控制流程图的分析
    4.3 双脚触地时的行走稳定性控制策略的研究
        4.3.1 基于模糊PID的下肢外骨骼机器人行走稳定性控制
        4.3.2 模糊控制器的设计
        4.3.3 模糊PID行走稳定性控制MATLAB仿真
        4.3.4 扰动下模糊PID行走稳定性控制MATLAB仿真
    4.4 单脚触地时的行走稳定性控制策略的研究
        4.4.1 单脚触地时的行走稳定性控制策略
        4.4.2 基于滑模的下肢外骨骼机器人行走稳定性控制
        4.4.3 基于滑模的下肢外骨骼机器人行走稳定性控制仿真
        4.4.4 基于RBF神经网络滑模的下肢外骨骼机器人行走稳定性控制
        4.4.5 基于RBF神经网络滑模的下肢外骨骼机器人行走稳定性控制仿真
    4.5 本章小结
第5章 下肢外骨骼机器人实验平台搭建及实验验证
    5.1 引言
    5.2 下肢外骨骼机器人行走稳定性采集系统设计概述
    5.3 数据采集与硬件系统的实现
        5.3.1 硬件系统概述
        5.3.2 压力数据采集
        5.3.3 角度数据的采集
    5.4 行走动作模块
        5.4.1 行走模块的实现
    5.5 实验验证
    5.6 本章小结
第6章 总结与展望
    6.1 工作总结
    6.2 工作展望
参考文献
在读期间发表的学术论文及研究成果
致谢


【参考文献】：
期刊论文
[1]下肢辅助步行外骨骼机器人步行模型研究[J]. 何昱夷,李培兴,闫维新,赵言正.  控制工程. 2019(10)
[2]基于足底压力传感器的不控制减重比例下步态相位识别[J]. 宋广玥,宋智斌,项忠霞.  工程设计学报. 2019(03)
[3]基于关键点约束的下肢外骨骼机器人步态规划[J]. 张彦斐,时兆义,宫金良.  机械设计与研究. 2019(02)
[4]基于SAE和LSTM的下肢外骨骼步态预测方法[J]. 陈超强,蒋磊,王恒.  计算机工程与应用. 2019(12)
[5]人体动态行走中的人-机-环境共融研究[J]. 徐垠焮,喻洪流,曹武警,赵伟亮,喻贝贝,蓝贺.  中华物理医学与康复杂志. 2018 (11)
[6]下肢外骨骼系统稳定性分析和步态控制研究[J]. 徐元杰,樊军.  中国新技术新产品. 2017(11)
[7]基于稳定阈度分析的外骨骼动态步长规划方法[J]. 陈春杰,张邵敏,王灿,吴桂忠,吴新宇.  仪器仪表学报. 2017(03)
[8]下肢外骨骼机器人行走过渡稳定性控制研究[J]. 闫大富,邓华,钟国梁.  计算机仿真. 2016(09)
[9]机器人下肢外骨骼系统稳定性分析和步态控制研究[J]. 周东栋,樊军.  组合机床与自动化加工技术. 2016(04)

硕士论文
[1]下肢外骨骼动态稳定性分析与步态跟踪控制研究[D]. 吴昌伟.中南大学 2014



本文编号：3719548