下肢软体外骨骼机器人系统建模与仿真
发布时间：2021-10-24 11:40
外骨骼机器人是一种可供穿戴式机器人,在军事装备、医疗辅助和民用设备等方面具有极广泛的使用场景。然而,在实际使用过程中,外骨骼机器人有显著的设备惯性、运动学约束和缺乏最优控制方法等缺陷。软体外骨骼机器人是一种基于纺织布料的可穿戴设备,提供了一种与人体接触的适形、舒适和顺从的方式,能够解决上述挑战。与大多数刚性的外骨骼不同,下肢软体外骨骼轻便贴身如同外套,与近端安装的驱动器相结合,可以提供与下肢肌肉平行的力量,降低人体新陈代谢,提高行走效率。本文主要在软体外骨骼、驱动平台、控制器和优化方法的开发上进行了研究,研究内容主要包括以下几个方面:（1）基于人体步态分析和软体外骨骼运动学分析,并借助在MATLAB和Open Sim平台的仿真,对软体外骨骼总体方案提出了设计,还介绍了软体外骨骼的工作原理和设计关节驱动平台。针对软体外骨骼,设计了基于迭代力的位置控制和切换导纳-位置控制器的两种类型外骨骼控制器。基于迭代力的位置控制可以在误差范围内准确检测踝部伸展起始时间和跟踪辅助剖面的峰值时间和峰值大小。切换导纳-位置控制器可以跟踪助力曲线的变化。（2）为了探索人机交互以及驱动平台施力时间的选择,进行了...
【文章来源】：广东工业大学广东省
【文章页数】：67 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
准被动腿外骨骼[12]
第一章绪论5图1-2哈佛大学自主多关节驱动系统[16]Fig1-2Harvardautonomousmulti-jointdrivesystem[16](2)力量增强增强健康个体执行体力任务的能力，或者使他们能够执行纯人力无法完成的任务，是可穿戴辅助设备的另一个重要应用[18]。例如，工厂工人在日常工作中经常需要搬运沉重的部件或设备，持续的负重活动常常会导致疲劳，甚至会损伤他们的胳膊、腿或背部肌肉。可穿戴辅助设备具有增强性能和防止肌肉拉伤的潜力，特别是对于那些受地形和空间限制的任务。上世纪60年代末，通用电气研究公司(GeneralElectricResearch)和康奈尔大学(CornellUniversity)建造了第一个全身动力外骨骼原型，为“哈迪曼”(Hardiman)[19]。这是一个巨大的液压机器，目的是大幅度增加佩戴者的力量。它包含30个自由度，重达680公斤，设计时将佩戴者的手臂和腿部力量放大了25倍。研发用于增强力量的外骨骼的一个主要动力来自由美国国防高级研究计划局（DARPA）赞助的人体机能增强外骨骼（EHPA）项目。2004年，Sarcos研究公司又制造了一款全身外骨骼“可穿戴的自主式机器人(WEAR)”(图1-3)[20]。外骨骼采用液压执行机构，利用机器人与穿戴者之间的力感，允许穿戴者一只脚站立，还能背起另一个人，手臂23公斤，可以在泥泞中行走，也可以扭、蹲、跪。在2005年，另一个外骨骼，伯克利外骨骼(BLEEX)，也根据EHPA项目建造。BLEEX有7个自由度，包括4个主动自由度，2个弹簧被动自由度和1个自由旋转自由度。外骨骼是通过双向线性液压缸驱动的，能够以0.9米/秒的速度行走，同时支撑高达
广东工业大学硕士学位论文675公斤的负载。在不携带有效载荷的情况下，外骨骼可以以1.3米/秒的速度行走。在EHPA项目的推动下，越来越多的研究团队和公司致力于开发老年人步行辅助外骨骼增强系统。这些可穿戴辅助设备的设计目的是促进老年人的移动和增加社区步行，这对老年人的生活质量至关重要。2017年，三星公司为老年人开发了几款外骨骼，以辅助髋关节、膝盖和脚踝。图1.3可穿戴的自主式机器人(WEAR)[20]Fig1-3Wearableautonomousrobots（WEAR）[20](3)矫形器和康复训练仅在中国,大约有600万中风患者，脊髓损伤患者和脊柱裂患者一共约有530万，3万多发性硬化症患者,所有这些病人都将受益于矫形器和康复[21]。正如预期的那样，早期作为矫形器或用于康复训练的可穿戴设备本质上被修改为提供帮助的标准支架。第一次提到这种装置是1935年的一项美国专利。该设备是一个腿支架与往复运动的膝盖。1942年，第一个可控主动矫形器被开发出来，使用液压执行器来辅助髋关节和膝关节。由于当时的控制理论有限，整个装置由11个液压阀的物理开闭控制[22]。1970年，贝尔格莱德的MihailoPupin研究所开发了另一种液压外骨骼，可以驱动髋、膝和踝关节的矢状面。它还有一个支撑躯干的胸部支架。使用这种设备进行了100多个临床试验，许多不同程度瘫痪的患者掌握了使用这种带拐杖的外骨骼走路。1971年，威斯康星大学研制出一种完整的腿部外骨骼。该设备的设计目的是帮助截瘫患者行走，使他们的上半身能够完全活动。经过这些早期矫形器的发展，矫形技术的发展速度越来越快。开发了各种各样
【参考文献】：
期刊论文
[1]卒中后上肢康复机器人应用研究进展[J]. 顾腾,李传江,詹青. 神经病学与神经康复学杂志. 2017(01)
[2]针灸治疗中风偏瘫患者的临床研究[J]. 金鑫. 中国医药指南. 2017(02)
[3]钢丝绳传动机器人运动学的回路分析方法[J]. 桑宏强,许丽萍,贠今天,金国光,常丽敏. 机械科学与技术. 2016(07)
[4]中国老龄化的全球定位和中国老龄化研究的问题与出路[J]. 郭金华. 学术研究. 2016(02)
[5]下肢康复训练减重支撑系统的研究现状[J]. 马关坡,徐秀林. 中国医学物理学杂志. 2014(01)
[6]传统康复联合减重步行训练治疗脊髓损伤后不完全截瘫患者的疗效分析[J]. 钟思琳,吴婉霞,曾德良,刘文权,梁宇健. 中外医学研究. 2012(33)
[7]能量辅助骨骼服的研究现状及发展趋势[J]. 杨智勇,归丽华,张静,方登建. 山东科技大学学报(自然科学版). 2012(05)
[8]下肢外骨骼康复机器人的研究与进展[J]. 万大千,徐义明,白跃宏. 中国组织工程研究与临床康复. 2011(52)
[9]面向外骨骼助力的肌张力信息实时获取[J]. 向馗,李涛,宋全军,葛运建. 华中科技大学学报(自然科学版). 2011(S2)
[10]焦虑障碍患者家庭关怀度及其影响因素和护理对策[J]. 贺美玲,隆春玲,丁伟华,韩海英. 中国健康心理学杂志. 2011(10)
博士论文
[1]人机接触交互中人体肘关节运动意图与力矩估计[D]. 宋全军.中国科学技术大学 2007
[2]可穿戴型助力机器人技术研究[D]. 陈峰.中国科学技术大学 2007
本文编号：3455219
【文章来源】：广东工业大学广东省
【文章页数】：67 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
准被动腿外骨骼[12]
第一章绪论5图1-2哈佛大学自主多关节驱动系统[16]Fig1-2Harvardautonomousmulti-jointdrivesystem[16](2)力量增强增强健康个体执行体力任务的能力，或者使他们能够执行纯人力无法完成的任务，是可穿戴辅助设备的另一个重要应用[18]。例如，工厂工人在日常工作中经常需要搬运沉重的部件或设备，持续的负重活动常常会导致疲劳，甚至会损伤他们的胳膊、腿或背部肌肉。可穿戴辅助设备具有增强性能和防止肌肉拉伤的潜力，特别是对于那些受地形和空间限制的任务。上世纪60年代末，通用电气研究公司(GeneralElectricResearch)和康奈尔大学(CornellUniversity)建造了第一个全身动力外骨骼原型，为“哈迪曼”(Hardiman)[19]。这是一个巨大的液压机器，目的是大幅度增加佩戴者的力量。它包含30个自由度，重达680公斤，设计时将佩戴者的手臂和腿部力量放大了25倍。研发用于增强力量的外骨骼的一个主要动力来自由美国国防高级研究计划局（DARPA）赞助的人体机能增强外骨骼（EHPA）项目。2004年，Sarcos研究公司又制造了一款全身外骨骼“可穿戴的自主式机器人(WEAR)”(图1-3)[20]。外骨骼采用液压执行机构，利用机器人与穿戴者之间的力感，允许穿戴者一只脚站立，还能背起另一个人，手臂23公斤，可以在泥泞中行走，也可以扭、蹲、跪。在2005年，另一个外骨骼，伯克利外骨骼(BLEEX)，也根据EHPA项目建造。BLEEX有7个自由度，包括4个主动自由度，2个弹簧被动自由度和1个自由旋转自由度。外骨骼是通过双向线性液压缸驱动的，能够以0.9米/秒的速度行走，同时支撑高达
广东工业大学硕士学位论文675公斤的负载。在不携带有效载荷的情况下，外骨骼可以以1.3米/秒的速度行走。在EHPA项目的推动下，越来越多的研究团队和公司致力于开发老年人步行辅助外骨骼增强系统。这些可穿戴辅助设备的设计目的是促进老年人的移动和增加社区步行，这对老年人的生活质量至关重要。2017年，三星公司为老年人开发了几款外骨骼，以辅助髋关节、膝盖和脚踝。图1.3可穿戴的自主式机器人(WEAR)[20]Fig1-3Wearableautonomousrobots（WEAR）[20](3)矫形器和康复训练仅在中国,大约有600万中风患者，脊髓损伤患者和脊柱裂患者一共约有530万，3万多发性硬化症患者,所有这些病人都将受益于矫形器和康复[21]。正如预期的那样，早期作为矫形器或用于康复训练的可穿戴设备本质上被修改为提供帮助的标准支架。第一次提到这种装置是1935年的一项美国专利。该设备是一个腿支架与往复运动的膝盖。1942年，第一个可控主动矫形器被开发出来，使用液压执行器来辅助髋关节和膝关节。由于当时的控制理论有限，整个装置由11个液压阀的物理开闭控制[22]。1970年，贝尔格莱德的MihailoPupin研究所开发了另一种液压外骨骼，可以驱动髋、膝和踝关节的矢状面。它还有一个支撑躯干的胸部支架。使用这种设备进行了100多个临床试验，许多不同程度瘫痪的患者掌握了使用这种带拐杖的外骨骼走路。1971年，威斯康星大学研制出一种完整的腿部外骨骼。该设备的设计目的是帮助截瘫患者行走，使他们的上半身能够完全活动。经过这些早期矫形器的发展，矫形技术的发展速度越来越快。开发了各种各样
【参考文献】：
期刊论文
[1]卒中后上肢康复机器人应用研究进展[J]. 顾腾,李传江,詹青. 神经病学与神经康复学杂志. 2017(01)
[2]针灸治疗中风偏瘫患者的临床研究[J]. 金鑫. 中国医药指南. 2017(02)
[3]钢丝绳传动机器人运动学的回路分析方法[J]. 桑宏强,许丽萍,贠今天,金国光,常丽敏. 机械科学与技术. 2016(07)
[4]中国老龄化的全球定位和中国老龄化研究的问题与出路[J]. 郭金华. 学术研究. 2016(02)
[5]下肢康复训练减重支撑系统的研究现状[J]. 马关坡,徐秀林. 中国医学物理学杂志. 2014(01)
[6]传统康复联合减重步行训练治疗脊髓损伤后不完全截瘫患者的疗效分析[J]. 钟思琳,吴婉霞,曾德良,刘文权,梁宇健. 中外医学研究. 2012(33)
[7]能量辅助骨骼服的研究现状及发展趋势[J]. 杨智勇,归丽华,张静,方登建. 山东科技大学学报(自然科学版). 2012(05)
[8]下肢外骨骼康复机器人的研究与进展[J]. 万大千,徐义明,白跃宏. 中国组织工程研究与临床康复. 2011(52)
[9]面向外骨骼助力的肌张力信息实时获取[J]. 向馗,李涛,宋全军,葛运建. 华中科技大学学报(自然科学版). 2011(S2)
[10]焦虑障碍患者家庭关怀度及其影响因素和护理对策[J]. 贺美玲,隆春玲,丁伟华,韩海英. 中国健康心理学杂志. 2011(10)
博士论文
[1]人机接触交互中人体肘关节运动意图与力矩估计[D]. 宋全军.中国科学技术大学 2007
[2]可穿戴型助力机器人技术研究[D]. 陈峰.中国科学技术大学 2007
本文编号：3455219
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