下肢助力外骨骼改进设计与控制算法研究

发布时间：2017-08-30 00:20

  本文关键词：下肢助力外骨骼改进设计与控制算法研究

  更多相关文章： 下肢助力外骨骼 动力学模型 滑模控制 虚拟样机 协同仿真

【摘要】：在本文中主要研究的下肢助力外骨骼是一种穿戴在老人人体两侧提供人体行走助力的智能装备,在多个领域都具有较为广阔的应用前景。本文的主要内容包括：实验室已经有一款下肢助力外骨骼,在此基础上改进机械结构设计、提出运动学和动力学模型、下肢助力外骨骼的控制系统设计、基于比例切换函数的滑模算法应用、协同仿真与实验,为下肢外骨骼的后续发展打下了坚实的基础。(1)结合人体行走的运动特点,以人体穿戴的舒适性和安全性为出发点进行了下肢助力外骨骼的机械机构改进设计,增加了关节限位、绑带腰托设计等。建立了七连杆六自由度数学模型,进行了牛顿一欧拉动力学分析,在ADAMS软件中进行人体行走动作的模拟,并得到电机的驱动力参数。(2)以STM32单片机为最小系统板建立下肢助力外骨骼的控制系统,绘制电机控制板和传感器信息采集板,采用了编码器、直线拉杆位移传感器、足底压力传感器、加速度传感器。(3)在软件SolidWorks中建立外骨骼三维模型,在软件ADAMS中输入该模型,进行材料颜色修改、添加约束和运动副,在Simulink软件中建立基于比例切换函数的滑模控制算法,建立协同模拟环境,实现外骨骼模仿人体行走动作的仿真。(4)完成下肢外骨骼的零件加工、装配,进行人体穿戴实验和稳定性测试,验证此外骨骼可以提供人体在行走过程中所需要的驱动力,并具备良好的稳定性。
【关键词】：下肢助力外骨骼 动力学模型 滑模控制 虚拟样机 协同仿真
【学位授予单位】：北京林业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP273
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-7
• 1 绪论7-19
• 1.1 研究背景与意义7-8
• 1.2 下肢外骨骼机械系统研究进展8-12
• 1.3 下肢外骨骼控制策略研究进展12-17
• 1.3.1 步态康复用外骨骼控制策略12-14
• 1.3.2 运动辅助用外骨骼控制策略14-16
• 1.3.3 力量扩展用外骨骼控制策略16-17
• 1.4 实验室已有下肢外骨骼机器人及本文研究内容17-19
• 2 机械结构改进设计19-34
• 2.1 引言19
• 2.2 人体关节运动概述19-21
• 2.3 机械机构改进21-24
• 2.3.1 整体改进设计方案21-22
• 2.3.2 大小腿以及腰部可调节设计22-23
• 2.3.3 腰托靠背及绑带连接件设计23
• 2.3.4 膝关节限位设计23
• 2.3.5 驱动电机选择23-24
• 2.4 外骨骼运动模型24-27
• 2.5 基于牛顿-欧拉机器人动力学分析27-29
• 2.5.1 计算各关节的角速度27-28
• 2.5.2 计算各关节的角加速度28
• 2.5.3 计算各转动关节的线加速度28
• 2.5.4 计算各杆件的质心线加速度28
• 2.5.5 计算各杆件上所受的力28-29
• 2.5.6 计算各杆件上所受的力矩29
• 2.5.7 计算关节驱动器上的力矩29
• 2.6 基于ADAMS的机械结构仿真分析29-33
• 2.6.1 在ADAMS中进行模型初始化30
• 2.6.2 为下肢助力外骨骼添加约束30-31
• 2.6.3 为下肢助力外骨骼添加驱动函数31-32
• 2.6.4 仿真结果32-33
• 2.7 本章小结33-34
• 3 控制系统设计34-45
• 3.1 引言34
• 3.2 外骨骼控制系统总体设计34-35
• 3.3 外骨骼电机控制板设计35-37
• 3.4 外骨骼传感器信息采集板设计37-43
• 3.4.1 编码器介绍及其软件控制程序38-39
• 3.4.2 足底压力传感器介绍及其软件控制程序39-41
• 3.4.3 拉杆式直线位移传感器介绍及软件控制程序41-42
• 3.4.4 加速度传感器介绍及软件控制程序42-43
• 3.5 总体控制程序43-44
• 3.6 本章小结44-45
• 4 人机协调控制算法及穿戴实验45-56
• 4.1 引言45
• 4.2 基于比例切换函数的滑模控制45-46
• 4.3 ADAMS与Simulink协同仿真46-51
• 4.3.1 ADAMS软件中外骨骼样机设置48-50
• 4.3.2 Simulink软件中建立算法模型50-51
• 4.4 仿真结果分析51-53
• 4.5 穿戴实验53-55
• 4.6 本章小结55-56
• 5 总结与展望56-58
• 5.1 本文研究工作内容56
• 5.2 展望56-58
• 参考文献58-61
• 个人简介61-62
• 导师简介62-63
• 获得成果目录63-64
• 致谢64

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本文编号：756239