手臂外骨骼的控制及仿真研究

论文摘要

机器人技术是当代科学技术中发展最为活跃的领域之一,也是一个国家科技水平的体现,将机器人辅助治疗技术引入到偏瘫康复训练中,已经逐渐得到国内外研究人员的重视,并发展成为热门课题之一。外骨骼系统是机器人研究领域中的一个分支,它是一种各关节与人体关节相一致,并依附于人体外部的机械系统。操作者与外骨骼之间可以进行直接的力及其它各种信息的传递,因此,非常适合用于康复医疗。论文依据手臂外骨骼的应用对象和偏瘫康复理论,确定了系统的设计目标和整体方案,并建立了手臂外骨骼的系统模型,进行了仿真分析和试验研究,主要内容如下:本文介绍了外骨骼技术的国内外发展现状和应用情况,提出了一种3自由度的手臂外骨骼系统结构方案。基于人体上肢各关节运动参数,对手臂外骨骼系统进行了运动学分析,推导出了运动学方程和正解、逆解的表达式并建立了模型,通过对人体上肢运动仿真,验证了所建立的运动学模型的可行性。应用MATLAB软件中的Simulink和SimMechanics,建立了机构动力分析的仿真模型,设置各项参数执行仿真,从而得到机构的运动、动力数据,在此基础上,建立了系统的控制模型,并进行了轨迹控制仿真研究,为实际的康复医疗及机构的控制提供了重要数据。利用dSPACE实时仿真平台进行了手臂外骨骼系统的半实物仿真试验,基于MATALAB/Simulink和dSPACE RTI1103设计电机系统的速度闭环和位置闭环的模块化程序,给出了速度闭环和位置闭环参数的优化结果,同时对负载造成系统的影响及系统实时性能进行了分析。实验证明所选电机达到了设计要求,工作性能稳定,控制精度良好,具有较好的可操作性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究目的、意义
• 1.2 国内外研究现状及分析
• 1.2.1 外骨骼系统简介
• 1.2.2 外骨骼机器人的研制历程
• 1.2.3 外骨骼在康复系统中的应用
• 1.3 论文主要完成工作
• 第2章 手臂外骨骼系统构成
• 2.1 引言
• 2.2 机器人机构总体方案
• 2.2.1 手臂运动分析
• 2.2.2 结构简介
• 2.2.3 驱动方式
• 2.3 手臂外骨骼总体控制方案
• 2.4 本章小结
• 第3章 运动学建模与仿真分析
• 3.1 引言
• 3.2 运动学模型分析
• 3.2.1 齐次坐标变换
• 3.2.2 D-H法
• 3.2.3 正、逆运动学分析
• 3.2.4 基于Simulink的运动学分析
• 3.2.5 基于SimMechanics的运动学分析
• 3.3 本章小结
• 第4章 系统的控制模型与仿真分析
• 4.1 引言
• 4.2 基于SimMechanics的动力学仿真分析
• 4.2.1 动力学模型的建立
• 4.2.2 模块参数的设置
• 4.3 控制系统的建模与仿真
• 4.3.1 直流伺服电机的控制模型
• 4.3.2 单关节速度闭环控制模型
• 4.3.3 单关节位置闭环控制模型
• 4.3.4 系统的多关节协调控制
• 4.4 末端位置轨迹规划
• 4.5 本章小结
• 第5章 实验研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验系统平台简介
• 5.2.1 半实物仿真技术
• 5.2.2 dSPACE仿真系统概述
• 5.2.3 试验控制系统简介
• 5.3 电机控制实验
• 5.3.1 单电机速度闭环试验
• 5.3.2 单电机位置闭环实验
• 5.3.3 负载对电机性能影响分析
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢