气动肌肉驱动的外骨骼助力系统研究

发布时间：2017-07-03 02:10

  本文关键词：气动肌肉驱动的外骨骼助力系统研究

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【摘要】：外骨骼助力系统是人的智能和机器人的机械能相结合的可穿戴装备,广泛应用于军事、医疗以及灾难救援等方面,来为穿戴者提供一定的助力。气动肌肉作为一种新型气动执行器,相比于电机和液压等传统执行器,与生物肌肉特性类似,具有功率质量比和功率体积比高,响应速度快、成本低廉、安全可靠、清洁无污染以及良好的柔顺性等特点。由于其所具有的优良特性,使得它越来越多的受到研究者的青睐。但国内外所研究的气动肌肉驱动的外骨骼助力装置大多为身体局部康复机构以及上肢助力机构,本文首次尝试进行气动肌肉驱动的外骨骼助力系统的研究,进一步深化气动肌肉的应用。本文以气动肌肉作为驱动器,开展了外骨骼装置的机构设计、气动肌肉数学模型的建立、气动肌肉的非线性控制研究、上下肢运动学动力学理论分析以及上肢负重能力实验和下肢平地行走控制策略研究等,初步完成了外骨骼研究的基础工作。主要内容包括以下几个方面：第一,建立了人体坐标系,并分析了各个关节的运动形式.采用拟人化的设计方法,完成了外骨骼结构的设计。第二,搭建了气动肌肉力学特性测试平台,对气动肌肉的静力学等特性进行了实验研究,建立气动肌肉的多项式拟合模型,针对气动肌肉的强非线性特性,设计了基于微分器的滑模控制器,对单根气动肌肉负载系统进行了正弦位置跟踪控制研究,验证该控制器的有效性。第三,分别建立了上肢和下肢外骨骼的运动坐标系,在此基础之上,进行了上肢和下肢外骨骼的运动学正解和逆解的计算。利用拉格朗日方程和虚功原理,建立了上肢和下肢的动力学方程。利用三维仿真软件ADAMS对外骨骼进行步行模拟仿真。第四,建立了整个外骨骼助力系统实验平台,在此基础之上,对上肢单臂进行实验,验证了其负重能力；测试分析了平地行走过程中,脚底压力的变化及关节角位移的变化规律,设计了外骨骼助力系统人机协同行走控制策略,并通过单腿步行实验验证了其有效性,实现了负重助力行走。
【关键词】：助力外骨骼系统 气动肌肉 滑模控制 人机协同 助力行走
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP242
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-28
• 1.1 外骨骼助力系统的研究现状11-17
• 1.1.1 电机驱动型外骨骼系统的研究现状11-13
• 1.1.2 液压驱动型外骨骼系统的研究现状13-14
• 1.1.3 气动驱动型外骨骼系统的研究现状14-17
• 1.2 气动驱动系统元件的研究进展17-19
• 1.2.1 控制元件——气动高速开关阀的研究现状17-18
• 1.2.2 执行元件——气动肌肉的研究现状18-19
• 1.3 执行元件气动肌肉的特性研究19-25
• 1.3.1 气动肌肉的建模方法研究19-21
• 1.3.2 气动肌肉的控制研究21-23
• 1.3.3 外骨骼运动控制概述23-25
• 1.4 课题研究的意义及主要内容25-28
• 1.4.1 课题研究的意义25-26
• 1.4.2 本文的研究内容及安排26-28
• 第2章 基于气动肌肉的外骨骼助力系统机构设计28-44
• 2.1 人体坐标系的建立及各关节运动的形式28-30
• 2.1.1 人体测量基准轴和基准面28-29
• 2.1.2 人体关节的各种运动29-30
• 2.2 外骨骼助力系统的结构设计30-41
• 2.2.1 可穿戴外骨骼系统机构设计的原则30-32
• 2.2.2 可穿戴外骨骼系统结构设计的方案32-33
• 2.2.3 可穿戴外骨骼系统结构的设计要点33-41
• 2.3 强度校核41-43
• 2.4 本章小结43-44
• 第3章 单根气动肌肉滑模控制44-62
• 3.1 气动肌肉的模型建立44-48
• 3.2 单根气动肌肉的滑模运动控制48-61
• 3.2.1 系统建模48-51
• 3.2.2 滑模控制器的设计51-61
• 3.3 本章小结61-62
• 第4章 外骨骼的运动学和动力学分析62-79
• 4.1 外骨骼的运动学分析62-70
• 4.1.1 上肢外骨骼的运动学方程63-66
• 4.1.2 下肢外骨骼的运动学方程66-70
• 4.2 外骨骼动力学理论分析70-76
• 4.2.1 拉格朗日方程71
• 4.2.2 上肢动力学理论分析71-73
• 4.2.3 下肢动力学理论分析73-76
• 4.3 外骨骼机构的运动分析76-78
• 4.3.1 仿真模型的建立76-77
• 4.3.2 外骨骼步行仿真分析77-78
• 4.4 本章小结78-79
• 第5章 上肢负重能力测试以及下肢步行实验研究79-89
• 5.1 实验系统装置的介绍79-80
• 5.2 上肢负重能力测试80-81
• 5.3 外骨骼助力系统负重行走人机协同控制研究81-88
• 5.3.1 脚底压力变化规律测试实验81-82
• 5.3.2 人体下肢步态分析82-84
• 5.3.3 外骨骼助力系统负重行走人机协同控制策略84-88
• 5.4 本章小结88-89
• 第6章 总结与展望89-91
• 6.1 总结89-90
• 6.2 展望90-91
• 参考文献91-95

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1 李超;气动肌肉驱动的外骨骼助力系统研究[D];浙江大学;2016年

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本文编号：512028