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工程设计学报 2022年第3期29卷 358-369,383页

作者：王月朋汪步云安徽信息工程学院机械工程学院安徽芜湖241199 安徽工程大学人工智能学院安徽芜湖241000 安徽工程大学机器人产业技术研究院安徽芜湖241007

下肢外骨骼助力机器人存在人-机关节是否匹配、主动关节设计是否满足人体关节运动的驱动力要求等问题。为解决上述问题,基于所设计的电液伺服驱动下肢外骨骼助力机器人,将其简化为七连杆结构,并结合步态平衡理论,采用牛顿-欧拉法构建了... 详细信息

下肢外骨骼助力机器人存在人-机关节是否匹配、主动关节设计是否满足人体关节运动的驱动力要求等问题。为解决上述问题,基于所设计的电液伺服驱动下肢外骨骼助力机器人,将其简化为七连杆结构,并结合步态平衡理论,采用牛顿-欧拉法构建了其摆动相与支撑相瞬时动力学模型。然后,将不同步态相位下人体运动时的角度数据、速度数据及机器人结构参数代入牛顿-欧拉动力学迭代方程,求得机器人各关节的理论驱动力矩。最后,开展ADAMS(automatic dynamic analysis of mechanical systems,机械系统动力学自动分析)仿真实验和人机协同助行实验,通过对机器人各关节的驱动力矩峰值进行比较,验证了所构建动力学迭代方程的正确性和有效性。结果表明,通过采用牛顿-欧拉法来求解下肢外骨骼助力机器人关节的驱动力矩,可为其结构优化与控制策略制定提供重要的理论支撑。

关键词：下肢外骨骼助力机器人动力学分析牛顿-欧拉法人机协同助行实验

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下肢外骨骼助力机器人结构设计与仿真分析

下肢外骨骼助力机器人结构设计与仿真分析

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作者：陈树洋江苏大学

学位级别：硕士

外骨骼助力机器人是目前辅助行走类产品中热门的研究对象,本课题以下肢外骨骼助力机器人为研究对象,设计了一款柔性佳,穿戴舒适且符合大众消费水平的下肢外骨骼助力机器人,采用理论分析、建模计算、仿真验证等方式,重点对外骨骼结构设... 详细信息

外骨骼助力机器人是目前辅助行走类产品中热门的研究对象,本课题以下肢外骨骼助力机器人为研究对象,设计了一款柔性佳,穿戴舒适且符合大众消费水平的下肢外骨骼助力机器人,采用理论分析、建模计算、仿真验证等方式,重点对外骨骼结构设计、运动学和动力学分析、有限元分析和联合控制仿真展开深入研究,本文主要研究工作和成果如下:基于人体下肢结构特性和运动机理,对外骨骼的机械结构进行了仿生设计,设计出了结构尺寸可调节,自由度拟人化且装有缓冲减振装置的下肢外骨骼助力机器人;根据人体步态数据,最终选取Maxon EC 90型盘式电机和Planetary Gearhead GP 52 C型减速器作为主动关节的驱动方式,提出了一种基于嵌入式的外骨骼助力机器人控制方法,能简单高效地实现同步跟随、省力助力的功能目标;最后利用UG对下肢外骨骼人机系统进行三维建模。基于D-H参数法和微分变换法,对外骨骼助力机器人进行正、逆运动学理论分析,得到外骨骼下肢主动关节的运动学特性;基于拉格朗日方程对外骨骼进行逆动力学理论分析,得到下肢主动关节屈/伸运动的力矩解析式,为后面控制方法的选择和设计仿真提供数学理论基础;在ADAMS中建立外骨骼助力机器人刚柔耦合虚拟样机模型,验证运动学和动力学理论分析结果,并着重对外骨骼助力机器人的人机协同性能和缓冲减振功能进行了验证分析,结果表明其人机协同性能良好,并且缓冲减振效果达到设计要求,最大冲击力仅为原来的1/6。使用ANSYS Workbench分别对四种步态的外骨骼机械结构进行了静力学分析,对局部结构进行了优化,使机械结构的安全系数均大于1,保证了结构强度、刚度设计合理;在无预应力和有预应力情况下对站立相和双腿支撑相的下肢外骨骼进行了模态分析,得到结构的固有频率和振型,结果表明外骨骼在负载连接杆位置和髋关节位置的变形位移较大;对外骨骼进行瞬态动力学分析,最大变形和最大应力发生在0.2 s时,安全系数均大于1.5,结果表明在瞬时冲击力的作用下机器人结构满足强度和刚度要求。选择模糊自适应PID控制作为下肢外骨骼主动关节运动轨迹跟踪控制方法;在Simulink中对经典PID控制器、模糊控制器以及模糊自适应PID控制器进行设计仿真,结果表明模糊自适应PID仿真曲线的响应速度更快、超调量更小;基于ADAMS和Simulink创建外骨骼助力机器人联合控制仿真模型,验证了外骨骼下肢主动关节具有较好的关节响应速度特性和运动跟随特性,结果表明所建的机械动力学模型和控制系统模型可以准确的描述外骨骼机器人的工作过程。最终所设计的下肢外骨骼助力机器人结构简单合理,人机耦合性能良好,能够配合老年人完成行走、蹲下/站立等常规动作,使老年人不再承受行动不便的困扰,重获正常行走的能力,在一定程度上减小老龄化对家庭和社会造成的负担,具备很大的经济效益和社会价值。

关键词：下肢外骨骼助力机器人结构设计运动学与动力学运动仿真有限元分析联合控制仿真

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下肢外骨骼助力机器人控制系统研究

下肢外骨骼助力机器人控制系统研究

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作者：陈宇陕西科技大学

学位级别：硕士

下肢外骨骼助力机器人是一种结合了机器人技术、生物传感技术以及智能通信技术等的可穿戴式机器人,它能够应用于军事作战、医疗康复及应急救灾等领域。近年来,随着社会进入老龄化阶段,具有运动障碍的人越来越多,本课题所涉及的下肢外骨... 详细信息

下肢外骨骼助力机器人是一种结合了机器人技术、生物传感技术以及智能通信技术等的可穿戴式机器人,它能够应用于军事作战、医疗康复及应急救灾等领域。近年来,随着社会进入老龄化阶段,具有运动障碍的人越来越多,本课题所涉及的下肢外骨骼助力机器人及其控制系统研究正是为了帮助这一群体进行康复训练乃至实现助力行走而设计。在了解了国内外的可穿戴式下肢外骨骼助力机器人发展状况的基础上,对其关键技术与技术难点进行分析与研究,确立了本文的研究目标及方法。为了完成整套机械结构与控制系统方案设计,本文主要做了以下工作:(1)总体设计:根据人体下肢运动特征完成下肢外骨骼助力机器人结构设计与装配,并提出控制系统的总体方案设计。(2)通过对下肢外骨骼助力机器人建立D-H运动模型,完成其运动学和动力学分析,并利用拉格朗日算法得到系统动力学方程。为了更好地实现不同运动模式下的控制,通过查阅资料拟合出人体下肢关节在不同运动过程中的轨迹变化函数,为控制信号输入提供参考。(3)轨迹规划及信息跟踪:通过在MATLAB/Robotics工具箱中建立机器人连杆模型,并对其正、逆运动学分析进行验证。同时实现对下肢外骨骼机器人任意位置运动过程中运动端点的位置、速度、加速度的跟踪监测。(4)控制算法仿真分析:在上述连杆模型动力学模型的基础上,本文提出了两种控制算法包括神经网络自适应控制算法和模糊补偿控制算法,通过对控制器参数的调节,发现在一定误差范围内理论轨迹能够很好地跟踪期望轨迹,具有较好的抗干扰性。(5)试验平台的搭建:以“固高”嵌入式运动控制器为核心,搭建了下肢外骨骼助力机器人的控制系统,包括对传感模块及驱动模块的硬件设计与分布。并提出了主、被动的控制策略以及实现方法,可分别应用于行走助力与医疗复训练。在已搭建的试验平台上通过配套软件对运动轨迹进行数据化处理,并完成了被动行走模式下对各关节角度的验证试验,为后期完善下肢外骨骼助力机器人主动控制系统提供参考。通过以上工作表明:本课题所采用的控制算法以及硬件设计方案基本满足后续对下肢外骨骼助力机器人控制系统进行深入研究的条件。

关键词：下肢外骨骼助力机器人控制系统算法仿真硬件平台

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