基于人体能量流动特性的外骨骼低能耗驱动关节的研究

发布时间：2017-08-14 07:25

  本文关键词：基于人体能量流动特性的外骨骼低能耗驱动关节的研究

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【摘要】：如今,很多前沿的穿戴式下肢骨骼服能够满足人体的助力行走需求,在工程领域体现出重大的应用价值,但外骨骼机器人在运行过程中会消耗大量的能量,能源是制约外骨骼技术发展的主要因素之一,研究节能技术是提高外骨骼机器人续航能力的重要途径。在生物学研究领域发现,人体在运动过程中,各关节的能耗不是一成不变的,而是具有流动特性,基于此,本文从研究人体运动过程入手,揭示肢体间能量流动的规律,进而获悉各关节在此过程中所表现出的特性,以此建立人体关节能量流动模型,从而指导外骨骼关节的优化设计和驱动方法,提高外骨骼的能量利用效率,为提升外骨骼续航能力的研究奠定基础。首先,分析了人体关节的几何参数,建立人体五杆模型的运动学和动力学方程,利用运动捕捉系统及捷联惯导采集人体运动信息,求解不同运动速度下各关节的驱动力矩及功率,并通过三维力台系统的对比实验验证了求解结果的正确性。基于此,建立了人体各杆件及关节的能量流动方程,得到人体运动过程中能量的流动特性。然后,基于上述能量流动特性,分析得到运动关节的力学特性,结合主-被动力并联驱动关节的约束方程,建立了系统能耗模型。接着以膝关节为研究对象,基于系统能耗模型建立其能耗优化目标函数及约束条件,应用结合卡尔曼滤波的改进遗传算法,对膝关节负荷分配进行了研究,建立了以能耗最优为目的的关节力矩解耦算法。最后,搭建了直线电机对顶平台,进行了节能效果对比实验,实验结果验证了关节力矩解耦算法对于能耗优化的可用性。在此基础上,进行了外骨骼服助力奔跑实验,验证了基于关节力矩解耦算法的主-被动并联驱动关节,能够在外骨骼服助力过程中起到节省系统能耗的作用。
【关键词】：能量流动 并联驱动 能耗优化 改进遗传算法
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP242;R318
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 第1章 绪论8-17
• 1.1 课题来源及研究的目的和意义8
• 1.1.1 课题来源8
• 1.1.2 课题研究的背景和意义8
• 1.2 外骨骼机器人能耗优化研究现状8-15
• 1.2.1 国外研究现状8-13
• 1.2.2 国内研究现状13-15
• 1.3 国内外研究现状综述15-16
• 1.4 主要研究内容16-17
• 第2章 人体下肢动力学建模及能量流动特性分析17-32
• 2.1 引言17
• 2.2 人体简化模型及步态测定实验17-20
• 2.2.1 人体简化模型的建立及关节角度的定义17-19
• 2.2.2 步态测定实验设计及运动信息采集分析19-20
• 2.3 人体稳定步态正运动学与逆动力学分析20-25
• 2.3.1 稳定步态下正运动学分析20-21
• 2.3.2 稳定步态下逆动力学分析21-22
• 2.3.3 关节力矩及功率解算及分析22-25
• 2.3.4 力台实验验证与分析25
• 2.4 平地行走与奔跑步态下的能量分析25-31
• 2.4.1 稳定运功步态下的能量守恒方程建立25-26
• 2.4.2 行走与奔跑步态下的动势能分析26-27
• 2.4.3 行走与奔跑步态下的能量流动特征27-31
• 2.5 本章小结31-32
• 第3章 基于能效优化的关节力矩解耦算法32-56
• 3.1 引言32
• 3.2 运动关节力学特性及主被动元件力学特性分析32-34
• 3.2.1 人体运动关节力学特性分析32-33
• 3.2.2 主-被动力学元件力学特性分析33-34
• 3.3 系统能耗模型与约束条件34-35
• 3.4 基于遗传算法在膝关节力矩解耦中的应用35-42
• 3.4.1 膝关节能耗模型建立36
• 3.4.2 遗传算法在膝关节力矩优化分配中的应用36-42
• 3.5 基于卡尔曼滤波算法在膝关节力矩解耦中的应用42-46
• 3.5.1 问题分析与条件假设42-43
• 3.5.2 基于卡尔曼滤波算法的参数最优值估算43-44
• 3.5.3 参数辨识结果分析44-46
• 3.6 基于改进遗传算法在膝关节力矩解耦中的应用46-51
• 3.6.1 基于卡尔曼滤波算法的基本初始种群的改进46-47
• 3.6.2 改进遗传算法在膝关节力矩优化分配中的应用47-50
• 3.6.3 算法性能比较50-51
• 3.7 基于改进遗传算法在髋关节力矩解耦中的应用51-54
• 3.8 本章小结54-56
• 第4章 基于解耦算法的膝关节能效验证实验56-68
• 4.1 引言56
• 4.2 膝关节外骨骼助力结构56-57
• 4.3 主-被动并联驱动单元对顶实验平台57-65
• 4.3.1 对顶实验平台设计57-59
• 4.3.2 电机的响应速度及精度实验59-60
• 4.3.3 节能效果对比实验60-65
• 4.4 不同驱动模式下穿戴外骨骼助力奔跑验证实验65-67
• 4.4.1 不同驱动模式下的节能对比实验平台搭建65-66
• 4.4.2 不同驱动模式下的节能对比实验66-67
• 4.5 本章小结67-68
• 结论68-69
• 参考文献69-74
• 致谢74

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本文编号：671448