可穿戴上肢外骨骼的研发及实验

发布时间：2017-06-15 22:01

  本文关键词：可穿戴上肢外骨骼的研发及实验，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：近年来,外骨骼作为增强人体力量、辅助人体训练等方面被广泛而深入的研究。同时外骨骼也是集机械、电气、传感器、空间控制于一体的人机智能系统,被广泛的应用于军事、医疗、救援和日常生活中。但现在成熟的外骨骼是全身骨骼或只针对下肢所设计的,其价格昂贵、设计维护复杂、自身重量大,难以满足现在市场对外骨骼的需求。本文在分析人体上臂运动机理的基础上,研究和设计了一套轻量化、灵活度高和成本较低的可穿戴上肢外骨骼。首先在分析人体上肢骨骼关节组成及运动方式,在参考骨骼运动学和动力学原理的基础上,设计了基于电机驱动的可穿戴上肢外骨骼机械臂。对上肢外骨骼进行了空间运动学分析,获得了关节角度与空间位置的关系。应用拉格朗日法建立了动力学方程,进行了动力学分析;并应用MATLAB软件分析模拟手臂搬运物体时的关节受力情况。本文在对人体上肢骨骼关节进行动力学和运动学分析的基础上,对动力关节的驱动方式和控制方法进行了详细的设计。选择了磁场定向控制(FOC)算法的无刷电机驱动,并完成驱动的软硬件设计;并针对传统PID控制器对外骨骼动力关节控制存在的对外部干扰敏感、超调过大和响应过慢等问题,利用自抗扰控制算法设计了自抗扰控制器克服了存在的控制问题,实现了对外骨骼动力关节的控制。最后根据对可穿戴上肢外骨骼结构设计及控制算法研究的基础上,建立实验平台,制作动力关节试样,验证动力关节控制算法及特性。实验结果表明,可穿戴上肢外骨骼结构合理,动力关节驱动能力强,控制可靠稳定,响应迅速,完全满足实用要求。
【关键词】：外骨骼 动力学分析 FOC 自抗扰算法
【学位授予单位】：西华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：R318.17
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 1 绪论8-14
• 1.1 研究背景及意义8
• 1.2 国内外研究概况及发展趋势8-12
• 1.2.1 国外研究现状8-11
• 1.2.2 国内研究现状11-12
• 1.3 研究的主要内容12-14
• 2 可穿戴上肢外骨骼的动作及结构分析14-24
• 2.1 人体上肢动作分析14-15
• 2.2 可穿戴上肢外骨骼设计参数分析15-19
• 2.2.1 可穿戴上肢外骨骼自由度确定15-16
• 2.2.2 可穿戴上肢外骨骼运动范围分析16-17
• 2.2.3 可穿戴上肢外骨骼手臂长度分析17-18
• 2.2.4 可穿戴上肢外骨骼关节驱动方案18-19
• 2.3 可穿戴上肢外骨骼结构分析19-23
• 2.4 本章小结23-24
• 3 可穿戴上肢外骨骼的运动学、动力学分析24-37
• 3.1 可穿戴上肢外骨骼运动学分析24-27
• 3.2 可穿戴上肢外骨骼动力学分析27-32
• 3.2.1 雅克比矩阵28-29
• 3.2.2 动力学理论分析29-32
• 3.3 动力学仿真32-36
• 3.4 本章小结36-37
• 4 可穿戴上肢外骨骼的动力关节控制研究37-52
• 4.1 驱动电机选择37-39
• 4.1.1 电机参数的计算37-38
• 4.1.2 电机的选择38-39
• 4.2 直流无刷电机控制算法39-41
• 4.2.1 转子位置检测39-40
• 4.2.2 磁场定向控制算法40-41
• 4.3 动力关节控制信号输入41-42
• 4.4 动力关节控制系统实现42-51
• 4.4.1 动力关节元器件选择42-46
• 4.4.2 动力关节硬件电路的设计46-50
• 4.4.3 动力关节控制软件的实现50-51
• 4.5 本章小结51-52
• 5 可穿戴上肢外骨骼的关节控制算法仿真与实验52-72
• 5.1 PID控制算法的实现52-55
• 5.2 自抗扰控制算法的实现与仿真55-62
• 5.2.1 非线性跟踪微分器的实现与仿真56-58
• 5.2.2 非线性扩张状态观测器（ESO）的实现与仿真58-61
• 5.2.3 自抗扰控制算法的仿真61-62
• 5.3 可穿戴外骨骼实验62-71
• 5.3.1 可穿戴外骨骼电机驱动实验62-63
• 5.3.2 可穿戴外骨骼控制手臂信号实验63-69
• 5.3.3 可穿戴外骨骼关节控制实验69-71
• 5.4 本章小结71-72
• 结论72-73
• 参考文献73-75
• 攻读硕士学位期间发表论文及科研成果75-76
• 致谢76-77

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前8条

1 北村 智;王华;;药品水溶液变色的动力学分析[J];国外药学(抗生素分册);1987年04期

2 胡绍忠;洪云;;多功能护理床的机构设计与动力学分析[J];科学技术与工程;2013年03期

3 金磊;刘宇;魏书涛;钟运建;李庆;;短跑运动中下肢环节间互动动力学分析[J];医用生物力学;2008年03期

4 曾伟成,朱道清;酪氨酸酶催化反应机理的动力学分析[J];数理医药学杂志;1999年02期

5 胡绍忠;洪云;;多功能护理床的机构设计与动力学分析[J];科学技术与工程;2012年36期

6 魏书涛;刘宇;钟运健;李庆;;短跑支撑期股后肌损伤的动力学分析[J];中国运动医学杂志;2009年06期

7 李鸣,Alf Gerlach;考试恐怖的精神动力学分析[J];上海精神医学;2000年03期

8 ;[J];;年期

中国重要会议论文全文数据库 前10条

1 苗立琴;李学光;李辉;张大舜;姜合萍;;基于扭力轴扭转状态下的动力学分析研究[A];全国先进制造技术高层论坛暨第八届制造业自动化与信息化技术研讨会论文集[C];2009年

2 项平;吴明儿;;杆系可展结构的展开过程动力学分析[A];第九届全国现代结构工程学术研讨会论文集[C];2009年

3 冯刚英;王勇;任建峰;;电子设备安装架动力学分析与优化设计研究[A];中国电子学会电子机械工程分会2007年机械电子学学术会议论文集[C];2007年

4 肖世富;;带间隙结构的简化动力学分析[A];中国工程物理研究院科技年报（1998）[C];1998年

5 魏航信;刘明治;;仿人型跑步机器人的运动学及动力学分析[A];中国力学学会学术大会'2005论文摘要集（上）[C];2005年

6 陈建能;赵匀;;机构动力学分析的新方法[A];福建省科协第三届学术年会装备制造业专题学术年会论文集[C];2003年

7 王伟伟;龙兴贵;陈绍华;余铭铭;;室温下铀床回收氘气过程动力学分析[A];第十届中国核靶技术学术交流会摘要集[C];2009年

8 张旭;吴志刚;杨超;;基于能量法的等效梁建模与动力学分析[A];第十一届全国空气弹性学术交流会会议论文集[C];2009年

9 李洪发;彭祺擘;李东旭;;大型挠性空间一字型桁架结构动力学分析及仿真[A];第九届全国振动理论及应用学术会议论文摘要集[C];2007年

10 王立国;徐殿国;高强;武健;郭伟锋;;基于图论建模研究的HAPF参数动力学分析[A];2008中国电工技术学会电力电子学会第十一届学术年会论文摘要集[C];2008年

中国博士学位论文全文数据库 前9条

1 颜洁;两类生物学振子的数学建模与动力学分析[D];苏州大学;2016年

2 陈高杰;自动导向钻具动力学分析与实验研究[D];中国地质大学;2016年

3 张建杰;风能发电机整机及关键部件动力学分析与研究[D];新疆大学;2013年

4 桑梓;异质性传染病模型的动力学分析和控制措施效果评估[D];南京理工大学;2012年

5 姜洪领;三类具有扩散的生态模型动力学分析[D];陕西师范大学;2014年

6 胡其彪;空间可伸展结构的设计与动力学分析研究[D];浙江大学;2001年

7 戴璐;双环可展开桁架式天线动力学分析与优化设计[D];浙江大学;2014年

8 李文英;大型振动筛动力学分析及动态设计[D];太原理工大学;2004年

9 赵孟良;空间可展结构展开过程动力学理论分析、仿真及试验[D];浙江大学;2007年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 王化敏;采场机械支柱的优化研究与动力学分析[D];昆明理工大学;2015年

2 梁亮;某自动装填机械手的结构设计与分析[D];南京理工大学;2015年

3 李慧;可折叠机械手动力学分析[D];华中农业大学;2015年

4 王艺颖;一种可变连杆式VCR发动机结构设计与主要零部件动力学分析[D];重庆交通大学;2015年

5 刘玉斌;4R搬运机械手参数优化及动力学分析[D];沈阳工业大学;2016年

6 常开颜;云梯消防车梯架结构分析与优化[D];中原工学院;2015年

7 李进军;铁钻工三关节铰接臂研究设计[D];中国石油大学(华东);2014年

8 朱浩;旋转式水稻钵苗移栽机构动力学分析与试验[D];浙江理工大学;2016年

9 胡川红;盾构管片拼装机动力学分析与控制研究[D];东北大学;2014年

10 黄贤振;铁钻工的结构设计与动力学分析[D];江苏大学;2016年

  本文关键词：可穿戴上肢外骨骼的研发及实验，由笔耕文化传播整理发布。

，

本文编号：453556