人类负重外骨骼结构及其伺服控制系统设计研究

发布时间：2017-05-04 15:16

  本文关键词：人类负重外骨骼结构及其伺服控制系统设计研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：外骨骼技术融合了机械原理、电磁感应、流体传动、自动控制、信息等技术,是一种可穿戴的人机一体化系统。外骨骼穿戴在人体外部,为人体提供诸如保护、助力、助行等功能,能够完美地将人类的灵活性、智能性、适应性等特性与机器人负载能力强、工作时间长等特性结合,具有非常强的实用性和极大的应用前景。本论文围绕外骨骼机器人机械结构设计、动力系统设计、运动学分析和实验研究等关键问题对外骨骼进行了研究。本论文主要研究内容如下:1.对人体下肢运动机理、结构参数和各关节运动特性进行了详细的分析和总结,得到了外骨骼机器人机械结构参数。根据人体仿生学原理,对外骨骼机器人髋关节、膝关节、踝关节、大腿连杆、小腿连杆和足部结构进行了合理的设计,利用Solidworks Motion软件对髋关节、膝关节进行了仿真,得到其液压缸位移、速度、加速度与关节角位移、角速度、角加速度的关系,验证设计合理性。2.在比较现有机器人驱动方式的基础上,设计了外骨骼的液压系统方案并介绍了其控制原理;设计了实验用液压泵站、外骨骼液压系统液压缸和蓄能器;在分析比较现有的伺服阀基础上,对液压系统的关键控制元件伺服阀进行了选型,确定了伺服阀的型号为Star 200系列2级微型伺服阀;最后建立了液压系统数学模型,利用Matlab/SIMULINK对其进行仿真。3.建立外骨骼机器人D-H坐标系,对本论文设计的外骨骼进行运动分析,验证其正向运动学的正确性;采用微分变换法对其雅克比矩阵进行了求解。4.搭建了外骨骼实验平台,对其可穿戴性、液压伺服控制和髋关节液压缸输出零扭矩现象进行实验研究。
【关键词】：外骨骼 结构设计 液压伺服控制 运动分析
【学位授予单位】：浙江工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP242;R318
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第1章 绪论10-22
• 1.1 选题的背景和意义10-11
• 1.2 国内外研究现状及趋势11-20
• 1.2.1 国外研究现状11-18
• 1.2.2 国内研究现状18-20
• 1.3 课题的主要研究内容20-21
• 1.4 本章小结21-22
• 第2章 外骨骼机械结构设计22-40
• 2.1 人体下肢结构参数及各关节运动特点分析22-28
• 2.1.1 人类标准步态简析22-23
• 2.1.2 人体下肢各关节运动分析23-25
• 2.1.3 各关节运动范围25-27
• 2.1.4 人体结构尺寸参数27-28
• 2.2 负重外骨骼下肢机械结构设计28-38
• 2.2.1 髋关节机械结构设计28-33
• 2.2.2 膝关节机械结构设计33-35
• 2.2.3 踝关节机械结构设计35-36
• 2.2.4 其他部件设计36-38
• 2.3 本章小结38-40
• 第3章 外骨骼动力系统设计40-63
• 3.1 液压系统方案及控制原理41-43
• 3.1.1 液压系统方案设计41-42
• 3.1.2 系统控制原理42-43
• 3.2 液压元件选型与设计43-55
• 3.2.1 液压泵站设计43-44
• 3.2.2 伺服阀选型44-48
• 3.2.3 液压缸设计48-52
• 3.2.4 蓄能器设计52-55
• 3.3 伺服控制系统研究55-62
• 3.3.1 液压系统数学模型的建立55-60
• 3.3.2 液压系统仿真60-62
• 3.4 本章小结62-63
• 第4章 外骨骼机器人运动分析63-68
• 4.1 外骨骼机器人正向运动学63-66
• 4.2 外骨骼机器人雅克比矩阵的求解66-67
• 4.3 本章小结67-68
• 第5章 外骨骼实验研究68-76
• 5.1 外骨骼机器人穿戴实验68-69
• 5.2 单关节液压伺服系统实验研究69-72
• 5.3 外骨骼机器人髋关节零扭矩实验研究72-75
• 5.4 本章小结75-76
• 第6章 总结与展望76-78
• 6.1 研究总结76-77
• 6.2 展望77-78
• 参考文献78-81
• 致谢81-82
• 攻读学位期间参加的科研项目和成果82

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本文编号：345329