上肢柔性动力外骨骼系统设计及应用研究
发布时间：2023-04-01 15:13
动力外骨骼系统将人的智能决策和机器人的动力输出相结合,是一种典型的人机交互系统,在工业生产、医疗康复和军事战略等领域具有广泛的应用背景。作为人机一体化系统中的主要组成元素,外骨骼需要具备跟随使用者运动的能力,确保二者具有相同的运动轨迹。本研究针对上肢外骨骼系统对于运动性能、传感控制等方面的要求,研究并设计了上肢柔性动力外骨骼系统。本研究主要从理论和实践两个层次出发,首先以螺旋理论为基础,提出了一种基于约束支链的少自由度混联机构构型方法。接着,从柔性杆件的大变形的机理分析出发,提出了柔性杆件在平面以及三维空间的简化模型,并基于柔性杆件的简化模型,对外骨骼的运动学模型进行分析。然后,提出了基于表面肌电信号的肌电力模型,用于预测手部作用力的方向。最后,基于外骨骼的运动学模型和肌电力模型,提出了外骨骼的模糊控制策略,用于外骨骼的运动控制。针对混联机构设计及分析复杂的问题,本研究基于螺旋理论,分析了运动轴线间的相互关系,并提出了构建运动轴线间的约束支链的方法,进而通过对并联机构添加约束支链,实现少自由度混联机构的构型设计。并依此对柔性外骨骼机构进行构型设计。针对柔性杆件大变形问题,本研究基于样条...
【文章页数】：168 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
致谢
摘要
ABSTRACT
1 引言
1.1 动力外骨骼系统的概念
1.2 动力外骨骼的研究进展
1.2.1 早期的外骨骼发展
1.2.2 美国的外骨骼项目
1.2.3 欧洲的外骨骼研究
1.2.4 亚洲的外骨骼研究
1.2.5 其他国家的外骨骼研究
1.2.6 国内的外骨骼研究
1.3 上肢柔性动力外骨骼系统的关键技术及研究难点
1.4 论文研究目的及主要研究内容
2 上肢柔性动力外骨骼系统设计
2.1 人体上肢关节运动机理研究
2.1.1 上肢生理结构
2.1.2 上肢关节运动分析
2.1.3 上肢运动测量分析
2.2 上肢柔性动力外骨骼机械结构
2.2.1 外骨骼机构本体设计
2.2.2 肩关节结构设计
2.2.3 肘关节结构设计
2.3 外骨骼驱动系统
2.4 外骨骼传感器系统
2.5 外骨骼控制系统
2.6 本章小结
3 上肢柔性动力外骨骼机构设计
3.1 理论基础
3.1.1 螺旋理论
3.1.1 两轴线间的关系
3.2 一种基于约束支链的混联机构构型综合方法
3.2.1 运动轴线的约束关系
3.2.2 等效约束支链
3.2.3 构型综合方法
3.3 带有约束支链的2RnT混联机构构型综合
3.3.1 过自由度并联平台构型设计
3.3.2 转动约束支链构型综合
3.3.3 装配混联机构
3.4 柔性外骨骼机构设计
3.4.2 肩关节机构设计
3.4.2 肘关节机构设计
3.5 本章小结
4 上肢柔性动力外骨骼运动学分析
4.1 柔性元件的建模分析
4.1.1 样条伪刚体模型
4.1.2 样条伪刚体动力学方程
4.1.3 样条伪刚体特征参数优化
4.2 运动支链运动学分析
4.2.1 样条科瑟拉模型
4.2.2 驱动组件运动学分析
4.3 上肢柔性动力外骨骼系统运动学分析
4.3.1 外骨骼肩关节运动学分析
4.3.2 外骨骼肘关节运动学分析
4.3.3 工作空间分析
4.4 仿真实验及分析
4.4.1 样条伪刚体模型仿真
4.4.2 外骨骼运动仿真
4.5 本章小结
5 基于多传感器信息融合的上肢多关节运动意图识别
5.1 上肢解剖学分析
5.2 实验平台设计与搭建
5.2.1 表面肌电传感器设计
5.2.2 姿态传感器设计
5.2.3 六维力传感器设计
5.2.4 实验平台设计
5.3 上肢运动实验数据预处理
5.3.1 小波变换
5.3.2 肌电力映射矩阵
5.3.3 伪逆矩阵
5.4 意图识别算法
5.4.1 算法模型
5.4.2 直接训练法
5.4.3 预处理训练法
5.4.4 转换矩阵训练法
5.5 仿真实验及分析
5.5.1 肌电信号数据处理分析
5.5.2 神经训练结果分析
5.5.3 实验结果讨论
5.6 本章小结
6 基于模糊控制器的外骨骼控制策略研究
6.1 人机运动协调控制策略
6.2 外骨骼控制算法研究
6.2.1 基于多传感器的驱动力分析
6.2.2 关节电机驱动器设计
6.2.3 模糊控制器设计
6.2.4 控制算法的实现
6.3 康复训练控制策略
6.3.1 改进的人工势场法
6.3.2 外骨骼运动轨迹规划算法
6.3.3 康复训练控制算法的实验
6.4 仿真实验及分析
6.4.1 外骨骼助力运动控制实验
6.4.2 外骨骼康复训练控制实验
6.5 本章小结
7 总结与展望
7.1 总结
7.2 论文主要创新点
7.3 展望
参考文献
附录A
作者简历及攻读博士学位期间取得的研究成果
学位论文数据集
本文编号：3777370
【文章页数】：168 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
致谢
摘要
ABSTRACT
1 引言
1.1 动力外骨骼系统的概念
1.2 动力外骨骼的研究进展
1.2.1 早期的外骨骼发展
1.2.2 美国的外骨骼项目
1.2.3 欧洲的外骨骼研究
1.2.4 亚洲的外骨骼研究
1.2.5 其他国家的外骨骼研究
1.2.6 国内的外骨骼研究
1.3 上肢柔性动力外骨骼系统的关键技术及研究难点
1.4 论文研究目的及主要研究内容
2 上肢柔性动力外骨骼系统设计
2.1 人体上肢关节运动机理研究
2.1.1 上肢生理结构
2.1.2 上肢关节运动分析
2.1.3 上肢运动测量分析
2.2 上肢柔性动力外骨骼机械结构
2.2.1 外骨骼机构本体设计
2.2.2 肩关节结构设计
2.2.3 肘关节结构设计
2.3 外骨骼驱动系统
2.4 外骨骼传感器系统
2.5 外骨骼控制系统
2.6 本章小结
3 上肢柔性动力外骨骼机构设计
3.1 理论基础
3.1.1 螺旋理论
3.1.1 两轴线间的关系
3.2 一种基于约束支链的混联机构构型综合方法
3.2.1 运动轴线的约束关系
3.2.2 等效约束支链
3.2.3 构型综合方法
3.3 带有约束支链的2RnT混联机构构型综合
3.3.1 过自由度并联平台构型设计
3.3.2 转动约束支链构型综合
3.3.3 装配混联机构
3.4 柔性外骨骼机构设计
3.4.2 肩关节机构设计
3.4.2 肘关节机构设计
3.5 本章小结
4 上肢柔性动力外骨骼运动学分析
4.1 柔性元件的建模分析
4.1.1 样条伪刚体模型
4.1.2 样条伪刚体动力学方程
4.1.3 样条伪刚体特征参数优化
4.2 运动支链运动学分析
4.2.1 样条科瑟拉模型
4.2.2 驱动组件运动学分析
4.3 上肢柔性动力外骨骼系统运动学分析
4.3.1 外骨骼肩关节运动学分析
4.3.2 外骨骼肘关节运动学分析
4.3.3 工作空间分析
4.4 仿真实验及分析
4.4.1 样条伪刚体模型仿真
4.4.2 外骨骼运动仿真
4.5 本章小结
5 基于多传感器信息融合的上肢多关节运动意图识别
5.1 上肢解剖学分析
5.2 实验平台设计与搭建
5.2.1 表面肌电传感器设计
5.2.2 姿态传感器设计
5.2.3 六维力传感器设计
5.2.4 实验平台设计
5.3 上肢运动实验数据预处理
5.3.1 小波变换
5.3.2 肌电力映射矩阵
5.3.3 伪逆矩阵
5.4 意图识别算法
5.4.1 算法模型
5.4.2 直接训练法
5.4.3 预处理训练法
5.4.4 转换矩阵训练法
5.5 仿真实验及分析
5.5.1 肌电信号数据处理分析
5.5.2 神经训练结果分析
5.5.3 实验结果讨论
5.6 本章小结
6 基于模糊控制器的外骨骼控制策略研究
6.1 人机运动协调控制策略
6.2 外骨骼控制算法研究
6.2.1 基于多传感器的驱动力分析
6.2.2 关节电机驱动器设计
6.2.3 模糊控制器设计
6.2.4 控制算法的实现
6.3 康复训练控制策略
6.3.1 改进的人工势场法
6.3.2 外骨骼运动轨迹规划算法
6.3.3 康复训练控制算法的实验
6.4 仿真实验及分析
6.4.1 外骨骼助力运动控制实验
6.4.2 外骨骼康复训练控制实验
6.5 本章小结
7 总结与展望
7.1 总结
7.2 论文主要创新点
7.3 展望
参考文献
附录A
作者简历及攻读博士学位期间取得的研究成果
学位论文数据集
本文编号：3777370
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