外骨骼机器人设计和控制系统研究

论文摘要

外骨骼是一种可以让人穿戴的机械装置,它将人类的智力和机器人的“体力”结合在了一起,依靠人的智力来控制机器人,通过机器人来完成仅靠人的自身能力无法单独完成的任务的人机系统。在本课题中,通过对人体下肢骨骼运动机理的深入研究,采用伺服电机系统设计了一种新型的可穿戴式下肢步行外骨骼机构,并基于自适应模糊神经网络(ANFIS)控制理论,开展了下肢外骨骼的人机耦合控制策略研究。并且,在上述理论研究的基础上,开发出了一套下肢步行外骨骼的原型试验系统,包括机械结构的加工和组装、以及人机耦合的层次式控制框架的具体实现,该原型试验系统可作为今后开展进一步深入研究的实验平台。该项研究最终目标是实现步行外骨骼的穿着舒适性和行走平稳性,降低人在步行时所消耗的能量,减轻疲劳,并提高人体负重运动的快速性。新型可穿戴式下肢外骨骼系统的成功研制将有助于徒步行走携带更多的装备,行走更加机动、迅速、灵活,可以作为士兵或旅游者的代步工具。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景与意义
• 1.2 国内外研究进展
• 1.3 下肢外骨骼技术难点分析
• 1.4 本文研究内容
• 1.5 本章小结
• 第2章 人体下肢运动机理分析
• 2.1 引言
• 2.2 人体下肢解剖学概述
• 2.2.1 解剖学术语
• 2.2.2 下肢解剖学
• 2.3 人体步态研究
• 2.4 人体下肢行走运动学和动力学研究
• 2.5 本章小结
• 第3章 下肢外骨骼的机械结构设计
• 3.1 引言
• 3.2 下肢外骨骼机械结构设计原则
• 3.3 下肢外骨骼设计要点
• 3.3.1 外骨骼自由度分配
• 3.3.2 关节设计和驱动器定位
• 3.3.3 驱动器行程确定
• 3.3.4 身材兼容性考虑
• 3.4 本章小结
• 第4章 外骨骼控制策略的研究
• 4.1 引言
• 4.2 本课题上届未完成控制方法设计
• 4.2.1 关节运动轨迹规划和足底压力补偿
• 4.2.2 系统平衡控制规划
• 4.2.3 此控制策略的优缺点分析
• 4.3 下肢外骨骼人机耦合控制系统设计原则
• 4.3.1 降低行走干涉
• 4.3.2 降低系统复杂度成本
• 4.3.3 具备自适应学习能力
• 4.3.4 简化控制策略
• 4.4 下肢外骨骼人机耦合控制系统实现框架
• 4.4.1 行走规划层
• 4.4.2 步态综合层
• 4.4.3 关节控制层
• 4.5 下肢外骨骼人机耦合控制系统操作方案
• 4.5.1 算法训练
• 4.5.2 助力行走
• 4.6 本章小结
• 第5章 下肢外骨骼原型系统的实现
• 5.1 引言
• 5.2 机械结构的实现
• 5.2.1 驱动元件的选型
• 5.2.2 传感元件设计与选型
• 5.3 控制系统的实现
• 5.3.1 上位机控制系统实现
• 5.3.2 下位机控制系统和通讯系统实现
• 5.4 仿真和实验研究
• 5.5 本章小结
• 第6章 总结和展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录
• 附录A 外骨骼机械结构装配图
• 附录B VC++调试代码