可穿戴式膝关节力反馈外骨骼助力系统研究

作     者：畅辉 

作者单位：太原理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：梁义维

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 080202[工学-机械电子工程] 0802[工学-机械工程] 

主      题：膝关节外骨骼 PID算法 仿真试验 助力扭矩 

摘      要：外骨骼在自然界表示保护动植物内部柔软组织和器官的坚硬外壳,本文研究的外骨骼是一种为人腿膝关节提供助力扭矩的金属活动装置。外骨骼可以像机器人一样进行长时间的工作或者帮人体举起重于自身数倍的物体,因而广泛应用在医疗康复、军事行动和工业制造等领域。本文研究分析了人体走平路、上楼梯、下楼梯和原地蹲起等步态下的运动情况,然后建立了应用负反馈闭环控制和成熟的PID算法的控制模型,并通过ADAMS仿真软件和MATLAB软件的Simulink工具箱进行了联合运动的仿真试验研究,最终研究开发了一款可提供助力扭矩的膝关节外骨骼装置。本文主要的研究内容与成果如下:进行膝关节外骨骼装置的机械结构设计。通过对人腿膝关节具有的自由度和膝关节的活动范围进行分析,得到了外骨骼机械结构设计的相关参数。膝关节外骨骼在对人体膝关节生理构造和运动特点进行分析的基础上,采用拟人化设计方法,使得外骨骼与人腿的运动有良好的匹配性。考虑到人体穿戴外骨骼后需要在多种步态下运动,因此应尽量减少外骨骼整体的重量和尺寸。膝关节外骨骼采用Maxon直流电机进行驱动的方式,经过谐波减速器的减速为人腿提供适当的助力扭矩。研究判断人体运动意图的控制算法。外骨骼检测和控制系统的稳定性是确保外骨骼提供预期助力大小的关键,本文设计的膝关节外骨骼通过陀螺仪,也即加速度计来检测大小腿相对转动的角速度,然后通过压力传感器检测人腿和外骨骼连杆之间的压力,对压力和角速度信号进行组合分析,从而判断穿戴外骨骼人员的运动状态并进行预测。建立运动模型并进行ADAMS和MATLAB/Simulink的联合仿真。经过对人体下肢和上肢重量分布的分析,采用拟人化的设计方法建立了人体和外骨骼的三维运动模型,然后在ADAMS仿真软件中设置驱动函数、运动副、力和其他参数。通过对人体模型上楼梯、下楼梯、走平路和原地蹲起等步态的运动过程进行仿真分析,得出了膝关节的运动参数变化曲线。在MATLAB软件中搭建外骨骼控制系统的数学模型,然后将ADAMS软件中的运动模型导入至MATLAB软件进行联合运动仿真。进行外骨骼穿戴试验。将设计的外骨骼装置的硬件加工和安装完成,然后由人体穿戴上外骨骼装置进行行走运动,在对运动过程中传感器检测到的数据信号进行分析的基础上,测试膝关节外骨骼装置的跟随效果和助力效果。