下肢外骨骼机器人的设计及其关键技术研究

发布时间：2024-04-21 05:30

　　在我国,人口老龄化的趋势在增加,患者存活率的提高也导致残疾率相应增加。然而,相应的康复治疗资源却非常有限,据统计,我国一线城市的医疗资源只能满足20%的急性康复需求,80%的康复需要回到社区。下肢外骨骼作为一种形如人体且可穿戴的辅助机器人系统,可以提高正常人的承载能力,扩展残疾人运动能力。该系统包括许多领域的尖端技术,如传感控制、人机交互和机械工程。如今,市场上的仿生腿主要用于人体假肢领域并且大多是被动的。因此在借鉴前人工作成果的基础上,本文研制开发一种混合驱动的下肢外骨骼机器人,并进行如下内容的研究:首先,确定了外骨骼机械结构和控制系统的整体方案。在结构上,设计一款基于直流无刷电机+电动推杆混合驱动的下肢外骨骼机器人,并针对真实人体行走时两腿各关节扭矩值的大小和实际的关节尺寸大小,对驱动系统完成相关的选型计算,同时,引入腰宽自动调节机构,使外骨骼机器人适合体型不一的人群。在传感系统的选择上,选择人机接触力传感系统作为外骨骼控制系统检测运动信息和判断运动意图的主要信息来源,并根据人机交互的特点,完成控制系统的总体设计。然后,以设计的下肢外骨骼机械结构为基础,按照D-H方法和MATLAB...

【文章页数】：83 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
    1.1 选题的背景与意义
    1.2 外骨骼机器人的国内外研究现状
        1.2.1 外骨骼机器人国外研究现状
        1.2.2 外骨骼机器人国内研究现状
    1.3 外骨骼机器人研究领域存在的主要问题
    1.4 本文研究目标和研究内容
        1.4.1 本文研究目标
        1.4.2 本文研究内容
第2章 外骨骼机器人的总体方案设计
    2.1 外骨骼机器人的特征
    2.2 外骨骼机器人设计参数指标
    2.3 外骨骼机器人机械系统总体设计
    2.4 外骨骼机器人控制系统总体设计
        2.4.1 现有传感系统分析
        2.4.2 现有控制策略分析
        2.4.3 控制系统方案设计
    2.5 本章小结
第3章 外骨骼机械系统的详细设计及优化分析
    3.1 关节驱动系统的设计
        3.1.1 髋、膝关节驱动结构设计
        3.1.2 踝关节驱动结构设计
    3.2 机械结构详细设计
        3.2.1 腰部和背部的结构设计
        3.2.2 大腿的结构设计
        3.2.3 小腿的结构设计
    3.3 下肢外骨骼机器人的有限元仿真
        3.3.1 下肢外骨骼机器人静力学分析
        3.3.2 下肢外骨骼机器人模态分析
        3.3.3 下肢外骨骼机器人瞬态动力学分析
    3.4 本章小结
第4章 外骨骼机器人运动学分析和动力学建模
    4.1 外骨骼机器人的运动学建模及仿真
        4.1.1 D-H法运动学方程的建立
        4.1.2 基于MATLAB的运动学仿真验证
    4.2 基于空间算子代数的动力学分析
        4.2.1 SOA坐标系的建立与参数说明
        4.2.2 摆动相动力学建模
    4.3 基于ADAMS的外骨骼行走过程仿真
    4.4 本章小结
第5章 外骨骼控制系统设计
    5.1 关节伺服系统的数学建模
    5.2 模糊PID控制算法的设计
        5.2.1 模糊控制器的结构设计
        5.2.2 输入输出的模糊化处理
        5.2.3 控制规则和逻辑判断
        5.2.4 解模糊化
    5.3 关节伺服系统的控制仿真
    5.4 基于ADAMS和 MATLAB的虚拟样机联合仿真
    5.5 控制系统的硬件设计
        5.5.1 控制系统硬件选型
        5.5.2 控制系统硬件电路设计
    5.6 软件系统的设计
        5.6.1 软件系统的流程图
    5.7 本章小结
总结与展望
    工作总结
    后续展望
参考文献
攻读硕士学位期间所取得的研究成果
致谢



本文编号：3960476