文档介绍：哈尔滨工程大学
硕士学位论文
下肢外骨骼助力机器人系统研究
姓名:杨杰乾
申请学位级别:硕士
专业:机械电子工程
指导教师:王岚
2012-03
斐捅随着科学技术的不断发展,外骨骼式机器人作为一种典型人机一体化助力装置,在生物医学和军事领域等得到了越来越多的重视。下肢外骨骼助力机器人根据拟人化思想设计,能够与使用者的下肢有机地结合在一起,模仿正常人体下肢生理结构和运动特点,使二者协调运动,具有一定研究价值和市场前景。对外骨骼式机器人的国内外发展研究现状进行了综述,分析了人体下肢关节运动参数,确定了机器人的总体机构方案,分析了膝关节的瞬心轨迹,确定了控制方案。分析了人体下肢运动机理,采用三元素肌肉模型建立了下肢骨骼肌模型,通过进行了人体下肢建模和仿真分析。基于拉格朗日法推导了机器人动力学数学模型,建立了机器人位置控制模型,并且在软件中的和模块下进:行了位置控制仿真分析,建立了阻抗控制模型,对机器人进行了控制仿真分析。设计研制了下肢外骨骼助力机器人系统的实验样机,并基于半物理仿真实验平台对机器人系统进行了实验研究。主要包括直流电机伺服控制实验、不同周期空载和带负载情况下单腿步态轨迹控制实验、双腿步态轨迹协调控制实验和真人实验。关键词:外骨骼;助力机器人;控制算法;仿真分析;实验研究下肢外骨骼助力机器人系统研究
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第滦髀课题背景和研究意义外骨骼助力机器人研究现状及分析和提高,除了必要的医疗手段外,科学和正确的康复训练是十分有效的【;⒄瓜肿人口老龄化问题目益严重已经逐渐成为世界上许多国家不可避免的社会现象,伴随着老年人各种生理功能的衰退和交通事故的不断增加,偏瘫、中风、截瘫等患者也不断增多,导致这类人群下肢出现运动功能障碍的现象,使其:生存质量急剧下降,使家庭和社会的负担越来越重。根据当代医学理论和临床医学实践证明,对肢体运动功能的恢复生物医学、传感器技术、计算机技术和智能控制技术等的迅速发展,用于生物医学工程领域的康复和助力机器人也有了很好的发展平台,促进了医用领域机器人的人机一体化,这种研究通过机器人产品对于提高康复质量和减轻家庭社会的负担具有一定实际意义和市场前景。从军事发展的角度来看,外骨骼式助力机器入对于提高士兵的单兵装备具有重要的意义【K褪褂谜咦魑R桓稣宕嬖冢梢苑值J勘淖氨钢亓浚佣銮渴勘机动性、耐力和速度和行动范围等,使士兵本身的能量消耗降低,真正成为战场上的武器系统核心,提高部队战斗力。外骨骼式机器人是一种可穿戴式的仿生机器人,属于典型的人机一体化系统,它可以给使用者提供支撑、保护和助力等帮助【。下肢外骨骼助力机器人是一种与使用者有机结合在一起的可穿戴式助力装置,根据人机工程学和生物医学的拟人化思想设计,模拟正常人体下肢步态运动形式,帮助下肢有运动功能障碍的人群恢复行走能力。通过对机器人响应的运动运动轨迹规划,从而达到人机协作的目的。随着仿生学机构学、信息处理、机器人学、控制理论和通讯等技术的不断发展和成熟,外骨骼助力机器人能够和操作者组***机一体化系统,提高环境适应能力,在生物医学、军事、康复治疗、康复护理和假肢等领域将会有很有研究价值和广阔的发展前景。,下肢外骨骼式助力机器人顾名思义,是辅助人体下肢运动的装置,包括正常的行走和站立,在国外将这类产品统称为锤ㄖ凶叩钠骶撸部沙莆2叫懈
统的研究得到了众多科研工作者和医疗机构的重视和支持,通过许多研究机构不断开展备组成,机械系统根据正常成年男子下肢的生物特征而设计,在人体下肢各个关节处装助器。在欧美一些发达国家,对于康复机器人和外骨骼式助力机器人这种人机一体化系的研究工作,近年来在康复领域取得了一定的科研成果。由美国加州大学伯克利分校和人体工程实验室负责研发的美军“伯:克利下肢外骨骼珺侥壳拔V梗丫兄瞥隽肆代下肢外骨骼助力系统,如图所示。机器人由背包式外架、助力腿、控制与通讯系统、动力装置以及相应的液压驱动设有驱动电机。外骨骼装置和使用者之间有两处精确连接设计,并且采用特制的背心实现躯干的喹接,这样能够分散使用者和涞牧Γ佣乐共辽讼窒蟮姆⑸此对使用者的下肢与机器人之间的配合精度要求降低。每条ν仍邝殴亟诖有鲎杂啥龋ス亟诖τ个自由度,踝关节处有鲎杂啥取M夤趋乐魅送过安装的多个传感器和驱动器,向计算机提供各种必要的控制信息,计算接收这些信息的同时,监测使用者实时的状态,并根据不同的情况对负载进行调整。这样就能使机器人能够携带外部负载和自身的重量的同时,很好的进行远距离行走。实验表明,褐卮ń铮⑶夷芤./乃俣绕轿刃凶撸┐髡负重感仅为笥摇褐乜梢源锏俣雀悄芄惶岣呶痵。哈尔滨工程大学硕士学位论文图轮夤趋阑