下肢助力外骨骼改进设计与控制算法研究

作     者：李娜 

作者单位：北京林业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：钱桦;闫磊

授予年度：2016年

学科分类：08[工学] 0835[工学-软件工程] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：下肢助力外骨骼 动力学模型 滑模控制 虚拟样机 协同仿真 

摘      要：在本文中主要研究的下肢助力外骨骼是一种穿戴在老人人体两侧提供人体行走助力的智能装备,在多个领域都具有较为广阔的应用前景。本文的主要内容包括：实验室已经有一款下肢助力外骨骼,在此基础上改进机械结构设计、提出运动学和动力学模型、下肢助力外骨骼的控制系统设计、基于比例切换函数的滑模算法应用、协同仿真与实验,为下肢外骨骼的后续发展打下了坚实的基础。(1)结合人体行走的运动特点,以人体穿戴的舒适性和安全性为出发点进行了下肢助力外骨骼的机械机构改进设计,增加了关节限位、绑带腰托设计等。建立了七连杆六自由度数学模型,进行了牛顿一欧拉动力学分析,在ADAMS软件中进行人体行走动作的模拟,并得到电机的驱动力参数。(2)以STM32单片机为最小系统板建立下肢助力外骨骼的控制系统,绘制电机控制板和传感器信息采集板,采用了编码器、直线拉杆位移传感器、足底压力传感器、加速度传感器。(3)在软件SolidWorks中建立外骨骼三维模型,在软件ADAMS中输入该模型,进行材料颜色修改、添加约束和运动副,在Simulink软件中建立基于比例切换函数的滑模控制算法,建立协同模拟环境,实现外骨骼模仿人体行走动作的仿真。(4)完成下肢外骨骼的零件加工、装配,进行人体穿戴实验和稳定性测试,验证此外骨骼可以提供人体在行走过程中所需要的驱动力,并具备良好的稳定性。