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基于虚拟样机技术的PRMI外骨骼机器人步态仿真研究

作　者: 黄瑞
导　师: 程洪
学　校: 电子科技大学
专　业: 模式识别与智能系统
关键词: 外骨骼机器人 步态分析 联合仿真 结构设计
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
下　载: 18次
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内容摘要


外骨骼机器人作为一个以人为核心的交互式机器人平台，成为了近年来较为热门的研究领域之一。作为一种可以穿戴在人外部的机械装置，外骨骼机器人在对穿戴者提供支撑和保护的同时，也能够通过机械结构完成穿戴者自身无法完成的任务。外骨骼机器人的特性决定了其应用的广泛性，在军事作战、应急救灾和医疗康复中都有广泛的应用前景。作为一个可穿戴机器人，对外骨骼机器人的拟人化设计和人体下肢的步态分析便成为了该研究领域中的重要问题。本论文正是针对上述两个问题，通过对人体下肢行走的步态分析，并拟人化设计外骨骼机器人的虚拟样机模型，最后以联合仿真的方式实现外骨骼机器人的步态仿真验证。本论文的主要内容有：1.通过对人体下肢运动步态阶段的划分，以及运动学和动力学的分析，对不同阶段的人体下肢运动步态阶段建立了动力学模型，为关节驱动力矩的计算提供了理论依据，也为联合仿真平台的搭建提供了数学模型。2.根据拟人化的设计方式，设计了PRMI（Pattern Recognition and MachineIntelligence Lab）外骨骼机器人的CAD模型，重点论述了拟人化和可穿戴的设计方法，并完成了样机的组装和穿戴测试。同时建立了外骨骼机器人的虚拟样机模型，为联合仿真的平台提供的接口平台。3.通过ADAMS/Simulink联合仿真平台，完成PRMI外骨骼机器人的行走步态运动学和动力学仿真，同时提出了一种步态曲线生成算法，该算法能够通过髋关节的运动轨迹生成膝关节和踝关节的运动轨迹，并完成了实验的仿真验证。本论文的最终研究目标是通过对人体下肢运动步态的分析，建立完整的PRMI外骨骼机器人虚拟样机模型以及搭建系统平台，并通过仿真对PRMI外骨骼机器人模型进行了可行性验证。本论文还提出了一种步态曲线生成算法，并通过联合仿真验证的方法验证了算法在步态康复中的有效性。

全文目录


摘要  5-6
ABSTRACT  6-10
第一章 绪论  10-19
  1.1 研究目的和意义  10-11
  1.2 国内外研究现状  11-17
    1.2.1 国外研究现状  11-16
    1.2.2 国内研究现状  16-17
  1.3 本论文主要的研究内容及章节安排  17-19
第二章 人体下肢运动步态建模  19-33
  2.1 引言  19
  2.2 人体下肢步态运动  19-23
    2.2.1 人体下肢运动概述  19-21
    2.2.2 人体下肢步态运动阶段  21-23
  2.3 人体下肢动力学  23-32
    2.3.1 人体下肢系统模型  23-25
    2.3.2 人体下肢运动学分析  25-27
    2.3.3 人体下肢动力学建模  27-32
  2.4 本章小结  32-33
第三章 外骨骼机器人虚拟样机建模  33-43
  3.1 虚拟样机技术概述  33-34
  3.2 PRMI 外骨骼机器人 CAD 建模要求  34
  3.3 PRMI 外骨骼机器人 CAD 模型设计要点  34-39
    3.3.1 关节自由度的分配及设计  35-36
    3.3.2 执行驱动的设定及限位  36-38
    3.3.3 可穿戴及身材兼容性设计  38
    3.3.4 膝关节承重自锁机构  38-39
  3.4 PRMI 外骨骼机器人虚拟样机建模及运动校验  39-42
    3.4.1 虚拟样机建模  39-41
    3.4.2 虚拟样机模型运动校验  41-42
  3.6 本章小结  42-43
第四章 PRMI 外骨骼机器人行走步态仿真  43-56
  4.1 引言  43
  4.2 基于 ADAMS 的 PRMI 外骨骼步行仿真  43-47
  4.3 基于 ADAMS/SIMULINK 的联合仿真平台  47-49
  4.4 步态曲线生成算法及仿真  49-55
    4.4.1 算法设计目的  49-50
    4.4.2 步态曲线生成算法  50-54
    4.4.3 联合仿真实验验证及结果分析  54-55
  4.5 本章小结  55-56
第五章 结论  56-58
  5.1 本文研究内容总结  56
  5.2 课题展望  56-58
致谢  58-59
参考文献  59-63
附录 1  63-68
附录 2  68-69
附录 3  69-71
硕士期间取得的研究成果  71-72

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 机器人技术 > 机器人
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