手臂助力系统设计及实验研究

论文摘要

随着社会的发展,人类不断面临各种自然界给与的考验,大灾后的施救、恶劣环境中的生存等等挑战人类自身身体极限能力的难题,日益突出的摆在人类面前,负荷长途步行能力、举起几倍于自己体重的物体的能力、攀岩跨越能力等等亟待提高,这些都属于人体助力的范畴。人体助力作为新兴的科研领域已经根据应用领域的需要而不断发展,在工业现场和汽车工程以及康复医疗、军事武装设备等方面均有体现。本文以如何实现人体手臂助力为研究任务,结合汽车电动助力转向控制策略,研制了一套人体手臂外骨骼助力系统,该系统包括外骨骼机械系统、传感器、控制集成电路板、微机开发板、电机及驱动装置、电脑终端等。全文贯穿了理论分析和技术实现两个基本问题,主要研究内容体现在以下4个方面:1.对现有的人体助力机械系统进行了归纳总结,设计了一套与现有查得的外骨骼机械系统不同的连杆传动机构,并完成了机械系统样机的加工和组装。2.通过人—机系统运动学和动力学分析,建立了手臂及外骨骼的机械系统运动学和动力学模型,并运用仿真技术,验证了手臂与外骨骼机械系统的动力学模型的正确性,为研究追踪性控制策略提供了理论支持。3.进行了详细的控制策略理论分析,建立了典型控制策略需要的助力特性曲线函数表达式,并进行了软、硬件设计以实现设定的控制策略。4.对样机实验采集的数据进行了合理的分析,得出的实验结果验证了控制策略的正确性和可行性。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 助力系统的定义及分类
• 1.1.1 人体助力系统
• 1.1.2 工业现场助力系统
• 1.1.3 汽车转向助力系统
• 1.2 生物力学
• 1.2.1 生物力学与运动生物力学简介
• 1.2.2 人体基本参数
• 1.2.3 肘关节结构图
• 1.2.4 肘关节动力学模型以及机构简化
• 1.3 手臂助力系统的意义
• 1.4 论文主要研究工作和内容
• 2 机械系统设计及实现
• 2.1 人体助力机械系统应用现状分析
• 2.1.1 电机直接驱动的机械系统
• 2.1.2 液压传动机械系统
• 2.1.3 气动机械系统
• 2.1.4 纯机械传动式机械系统
• 2.1.5 各种助力机械系统的优缺点分析
• 2.2 机械系统设计
• 2.2.1 手臂助力系统动作功能规划
• 2.2.2 机械系统设计及运动学和动力学分析
• 2.2.3 机械系统动力学建模及仿真分析
• 2.2.4 零件强度校核
• 2.3 机械系统的实现
• 2.4 本章小结
• 3 控制策略研究
• 3.1 主动性助力系统控制策略
• 3.2 被动性助力系统控制策略
• 3.2.1 一般被动性助力系统控制策略
• 3.2.2 汽车助力转向系统控制策略
• 3.2.3 被动性手臂助力控制策略设计
• 3.3 阻抗性助力系统控制策略
• 3.4 追踪性助力控制策略
• 3.4.1 追踪性助力控制策略定义
• 3.4.2 追踪性助力控制策略分类
• 3.4.3 助力特性曲线
• 3.5 本章小结
• 4 控制系统硬件平台的搭建
• 4.1 微机的选用
• 4.2 传感器的选用
• 4.2.1 角位移传感器
• 4.2.2 电流传感器
• 4.3 电机的选用
• 4.3.1 电机选用标准
• 4.3.2 霍尔位置传感器性能简介
• 4.3.3 电机驱动器的选用
• 4.4 控制系统硬件电路设计
• 4.4.1 控制系统总体方案设计
• 4.4.2 控制系统硬件电路设计
• 4.5 硬件电路的实现
• 4.5.1 仿真器
• 4.5.2 单片机开发板
• 4.5.3 集成电路板
• 4.6 本章小结
• 5 控制系统的软件实现
• 5.1 对C8051F320 I/O口的控制实现
• 5.2 PWM功能的软件实现
• 5.2.1 PWM调压控制原理
• 5.2.2 可编程计数器阵列（PCA0）介绍
• 5.2.3 八位PWM方波的实现
• 5.3 ADC实现的电流采集模数转换功能
• 5.3.1 ADC转换功能初始化设置
• 5.3.2 关于被测电流值不稳定问题的解决办法
• 5.4 角位移、角速度、角加速度的传感器检测实现
• 5.5 PID功能的软件实现
• 5.5.1 模拟PID控制器的控制规律
• 5.5.2 位置式数字PID控制算法
• 5.6 被动性助力控制策略的实现
• 5.6.1 关于电机执行动作连贯性的讨论
• 5.6.2 助力特性曲线实现机理研究
• 5.6.3 被动性助力控制策略程序框图
• 5.7 追踪性助力控制策略的实现
• 5.7.1 研究条件假设
• 5.7.2 追踪性助力控制策略程序框图
• 5.7.3 实现助力特性曲线的子程序框图
• 5.8 本章小结
• 6 样机实验
• 6.1 实验目的和任务
• 6.2 方案和过程设计
• 6.3 减速电机基本特性实验
• 6.3.1 减速电机空载和带负载PWM调速试验
• 6.3.2 调速采样时间的分析
• 6.4 被动性控制策略目标函数曲线
• 6.4.1 手臂匀速转动
• 6.4.2 手臂直线型变速转动
• 6.5 程序开发
• 6.5.1 变电机速度幅值法
• 6.5.2 变电机步长法
• 6.5.3 同时变电机速度幅值和步长法
• 6.6 实验数据的采集
• 6.6.1 数据采集的方法和原理
• 6.6.2 变电机速度幅值法采集到的数据
• 6.6.3 变电机步长法采集到的数据
• 6.6.4 同时变电机速度幅值和步长法采集到的数据
• 6.7 采样数据分析
• 6.7.1 变电机速度幅值法采集到的数据与实际曲线比较
• 6.7.2 变电机步长法采集到的数据与实际曲线比较
• 6.7.3 同时变电机速度幅值和步长法采集到的数据与实际曲线比较
• 6.8 数据整体分析和控制策略不同实现方法间的评价
• 6.9 直线型被动性控制策略的实现
• 6.10 实验最终结论
• 6.11 本章小结
• 7 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 作者简历
• 学位论文数据集