人工腿仿生设计及气动人工肌肉（PMA）实验建模研究

发布时间：2017-04-29 09:12

  本文关键词：人工腿仿生设计及气动人工肌肉（PMA）实验建模研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：在智能假肢研究及开发过程中,需要对其进行大量的性能测试实验,但由于实验测试的工作量大且要求重复性好,让残疾人穿戴假肢进行实验不太现实。为了给智能假肢的性能测试提供理想的实验平台,课题组将仿人机器人与智能假肢研究相结合,提出了异构双腿行走机器人模式。人工腿作为异构双腿行走机器人的重要组成部分,其主要功能是模拟残疾人健康腿的正常步态,给智能仿生腿提供步态跟随目标轨迹。因此,人工腿的拟人化设计对整个异构双腿行走机器人的研究具有非常重要的意义。基于对人体下肢的生理结构及运动机理的分析,本文对人工腿的整个机械系统进行了结构设计,包括髋关节、膝关节及踝关节的结构设计。为了使人工腿更好地模拟残疾人健康腿的步态轨迹,采用四杆机构作为膝关节的机械结构,解决了单轴膝关节带来的行走步态不自然的问题。在驱动方面,采用气动人工肌肉(PMA)作为膝关节的驱动源,从而解决了伺服电机、液压装置等带来的刚度太大等问题。在整个结构设计过程中,充分考虑了健康人腿的结构尺寸,使人工腿的结构尺寸与人体相应的部位尽量一致。由于气动人工肌肉(PMA)本身具有非线性,解析计算建模较为困难,本文采用通过实验建模的方法来建立PMA的数学模型。搭建了气动人工肌肉性能测试实验平台,分别在等压、等长、等载的条件下对其特性进行分析,建立了输出力、收缩率及输入压力三者之间的关系,基于最小二乘法对模型进行参数辨识,建立了其精确的数学模型。本文详细地分析了气动人工肌肉驱动关节的原理,选择了驱动的方式,并在动力学分析的基础上,建立了驱动关节的数学模型。最后采用虚拟样机技术搭建了联合仿真平台,对人工腿进行运动学和动力学仿真,并且基于PID控制算法进行了控制仿真。
【关键词】：气动人工肌肉 数学模型 人工腿 PID控制 虚拟样机
【学位授予单位】：东北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：R318.1;TB17
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-21
• 1.1 引言11-12
• 1.2 课题的提出12-18
• 1.2.1 仿人机器人的国外研究现状12-13
• 1.2.2 仿人机器人的国内研究现状13-15
• 1.2.3 气动人工肌肉的发展历史15-17
• 1.2.4 气动人工肌肉国内外研究现状17-18
• 1.3 课题研究意义、内容及方法18-21
• 1.3.1 课题的研究意义与目的18
• 1.3.2 主要研究内容与方法18-21
• 第2章 人工腿的机械系统设计21-31
• 2.1 人体下肢生理结构及运动机理21-22
• 2.2 人工腿的结构设计22-24
• 2.2.1 髋关节的结构设计22-23
• 2.2.2 膝关节的结构设计23-24
• 2.2.3 踝关节的结构设计24
• 2.3 驱动方案的选择24-26
• 2.4 气动人工肌肉的型号选择26-30
• 2.5 人工腿控制系统30
• 2.6 本章小结30-31
• 第3章 气动人工肌肉实验平台搭建及性能测试实验31-45
• 3.1 性能测试实验平台的搭建31-34
• 3.1.1 实验方案的设计31
• 3.1.2 实验材料的选择31-33
• 3.1.3 试验台结构设计33-34
• 3.2 气动人工肌肉性能测试实验34-43
• 3.2.1 等压特性实验34-38
• 3.2.2 等长特性实验38-40
• 3.2.3 等载特性实验40-43
• 3.3 本章小结43-45
• 第4章 气动人工肌肉数学建模45-59
• 4.1 气动人工肌肉模型的选择45-47
• 4.2 实验数据处理47-57
• 4.3 本章小结57-59
• 第5章 驱动关节建模及人工.腿虚拟样机的联合仿真59-71
• 5.1 气动人工肌肉驱动关节的静态模型59-61
• 5.1.1 驱动关节原理59-60
• 5.1.2 驱动关节动力学分析60-61
• 5.2 气动人工肌肉驱动关节的动态模型61-63
• 5.2.1 气动人工肌肉充气过程的动态模型61-62
• 5.2.2 气动人工肌肉放气过程的动态模型62-63
• 5.3 虚拟样机联合仿真平台的搭建63-65
• 5.3.1 虚拟样机联合仿真概述63
• 5.3.2 联合仿真平台的搭建过程63-65
• 5.4 人工腿虚拟样机的联合仿真65-69
• 5.4.1 PID控制原理65
• 5.4.2 PID控制仿真分析65-69
• 5.5 本章小结69-71
• 第6章 总结与展望71-73
• 6.1 总结71-72
• 6.2 展望72-73
• 参考文献73-77
• 致谢77

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本文编号：334593