基于半主动控制的智能仿生腿关键技术研究

发布时间：2017-06-08 13:04

  本文关键词：基于半主动控制的智能仿生腿关键技术研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：智能仿生腿的研究是集电子、信息、控制、材料、生物医学以及机械技术等众多技术为一体的前沿性、多学科交叉的研究课题。仿生腿膝关节的机构设计和控制方法对于仿生腿的研究意义重大。本文详细阐述了智能仿生腿的设计要素,给出了智能仿生腿的设计方案；以人体膝关节理想瞬时转动中心轨迹为目标,基于膝关节尺寸范围约束,采用具有较好全局搜索性能的遗传算法对膝关节的四杆机构进行了优化,得出了较为理想的膝关节结构尺寸。在驱动装置的选择上,仿生腿的结构特性决定了驱动装置的体积和能耗不能过大,综合这两方面以及计算机控制的效果等因素采用磁流变阻尼器来驱动膝关节。为了得到好的控制效果,在已有的阻尼器力学模型基础上设计了实验方案,进行模型的参数识别,为之后的阻尼器控制做充分准备。仿生腿机构的动力学模型较为复杂,通常的模型都是在假设整个系统为刚体的基础上建立的,这一点与人体的健康腿有很大差异。利用现代控制理论中的系统辨识技术抛开了系统的动力学建模等复杂过程,且不需要对系统的机理了解太多就可以建立系统模型。在系统辨识过程中,首先对实验得出的膝关节的输入与输出数据进行预处理,利用先验知识选择了几种不同的模型类型进行辨识,模型的种类和参数辨识是同时进行的。在相同的输入情况下,选择出与实际的输出差别最小的模型作为辨识的结果。最后对系统的PID控制参数用遗传算法进行了整定,并进行膝关节角度跟随仿真。
【关键词】：遗传算法 瞬时转动中心 磁流变阻尼器 系统辨识 PID整定
【学位授予单位】：东北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TB17;R318.17
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-20
• 1.1 引言10-11
• 1.2 智能假肢的发展概况11-16
• 1.2.1 现代假肢的发展概况11-12
• 1.2.2 国内假肢的发展与研究概况12-13
• 1.2.3 国外智能假肢的研究概况13-16
• 1.3 仿生腿的研究意义、内容、方法及技术路线16-20
• 1.3.1 课题研究意义16-17
• 1.3.2 主要研究内容17
• 1.3.3 研究方法和技术路线17-20
• 第2章 智能仿生腿组成与结构设计20-30
• 2.1 智能仿生腿研究平台20-22
• 2.1.1 仿生腿的组成20-21
• 2.1.2 仿生腿工作原理21-22
• 2.2 仿生腿的结构设计22-27
• 2.2.1 智能仿生腿设计要素22-24
• 2.2.2 仿生腿膝关节的设计24-25
• 2.2.3 四杆膝关节优点25-27
• 2.3 仿生腿驱动器选择27-28
• 2.4 踝关节设计28-29
• 2.5 本章小结29-30
• 第3章 磁流变阻尼器的结构及模型试验方案30-42
• 3.1 磁流变阻尼器的特点及应用30-32
• 3.1.1 磁流变阻尼器的特点30
• 3.1.2 磁流变阻尼器在工程领域的应用30-32
• 3.2 磁流变阻尼器的原理和选择指标32-34
• 3.2.1 磁流变阻尼器的工作原理32-33
• 3.2.2 磁流变液应满足的指标33-34
• 3.3 磁流变阻尼器的力学模型34-38
• 3.4 阻尼器的力学模型实验方案38-40
• 3.5 本章小结40-42
• 第4章 仿生腿膝关节建模与优化42-54
• 4.1 遗传算法概述42-43
• 4.2 四杆膝关节的建模43-47
• 4.3 基于遗传算法的膝关节优化设计47-53
• 4.3.1 优化过程参数的选取与设置48-50
• 4.3.2 优化结果50-53
• 4.4 本章小结53-54
• 第5章 仿生腿膝关节模型辨识与参数整定54-68
• 5.1 系统辨识的基本原理和方法54-56
• 5.1.1 系统辨识的原理54
• 5.1.2 系统辨识的一般步骤54-56
• 5.2 仿生腿膝关节控制模型辨识56-62
• 5.2.1 辨识数据的获取56-57
• 5.2.2 数据的导入与预处理57-59
• 5.2.3 系统先验知识的提取与分析59-60
• 5.2.4 系统辨识模型选择及参数识别60-62
• 5.3 基于辨识后膝关节模型的控制仿真62-67
• 5.3.1 遗传优化算法特点62-63
• 5.3.2 PID控制器基本原理63-64
• 5.3.3 整定过程与结果64-65
• 5.3.4 膝关节的控制仿真65-67
• 5.4 本章小结67-68
• 第6章 总结与展望68-70
• 6.1 总结68
• 6.2 建议68-70
• 参考文献70-76
• 致谢76

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