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一种助行装置的建模、仿真与驱动系统硬件设计

作 者: 丁潜
导 师: 陈庆伟
学 校: 南京理工大学
专 业: 控制理论与控制工程
关键词: 爬楼装置 人体工程学 三维模型 运动学 虚拟样机 驱动硬件电路
分类号: TH789
类 型: 硕士论文
年 份: 2012年
下 载: 40次
引 用: 1次
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内容摘要


针对我国拥有较多行动不便的老龄人口及下肢伤残者的实际情况,为了帮助此类人群克服楼梯障碍,扩大他们的活动范围,本文以一种具有爬楼功能的助行装置为研究对象,主要进行了如下工作:首先,介绍助行装置的爬楼机理,给出全自动与半自动两种方案并说明切换系统的组成。根据人体工程学及爬楼约束关系,设计装置的有关尺寸,并对相关指标进行校核。最后,利用三维建模软件SolidWorks,建立了装置各部分的零件模型并进行整机装配。其次,通过简化,推导助行装置的平地运动学方程。根据爬楼机理,抽象出运行过程中需要控制的关节参量,将爬楼过程细化,分阶段讨论了装置上下楼过程中的运动特点并给出相应的运动学模型,同时设计用于运动学计算的用户图形界面。运用矩阵变换有关理论得到某产品的运动模型,所设计的助行装置与之比较在一定程度上优化了运动轨迹。然后,将助行装置的三维CAD模型通过中间文件导入ADAMS中,将运动学有关数据生成装置的驱动函数,通过添加材料及相关约束等构建了装置的虚拟样机模型。分别对助行装置的上下楼过程进行仿真,结果表明了爬楼方案的可行性并为实际样机制造提供参考。最后,选择爬楼机构的电机及控制器,并设计其驱动系统硬件电路。硬件电路分为最小系统、驱动部分、保护电路及电源电路等,分别基于栅极驱动芯片及智能功率模块设计两种驱动方案,并对各模块进行了相应的调试,结果表明硬件电路设计良好。

全文目录


摘要  3-4
Abstract  4-8
1 绪论  8-16
  1.1 课题研究背景及意义  8-9
  1.2 国内外研究现状  9-14
    1.2.1 轮椅式爬楼装置  9-12
    1.2.2 固定式上下楼装置  12-13
    1.2.3 其他辅助装置  13-14
  1.3 需要研究的问题  14-15
  1.4 论文结构安排  15-16
2 装置总体设计及三维模型建立  16-25
  2.1 装置总体结构  16
  2.2 装置爬楼机理  16-18
  2.3 切换系统结构  18-19
  2.4 半自动助行装置方案  19
  2.5 装置相关尺寸设计  19-22
    2.5.1 轮椅部分尺寸  19-21
    2.5.2 爬楼部分尺寸  21-22
  2.6 装置三维模型建立  22-24
    2.6.1 SolidWorks软件概述  22-23
    2.6.2 基于SolidWorks的装置三维模型建立  23-24
  2.7 本章小结  24-25
3 助行装置运动学模型  25-41
  3.1 装置平地运动学  25-27
    3.1.1 装置平地运动学模型  25-26
    3.1.2 装置平地运动速度给定  26-27
  3.2 装置爬楼运动学  27-37
    3.2.1 爬楼运动学概述  27-28
    3.2.2 装置上楼运动学  28-34
    3.2.3 装置下楼运动学  34-36
    3.2.4 装置爬楼运动学模型计算用户界面设计  36-37
  3.3 某产品运动学模型  37-40
    3.3.1 空间表述与坐标变换概述  37-38
    3.3.2 某产品运动模型推导  38-40
  3.4 本章小结  40-41
4 装置虚拟样机构建及仿真  41-51
  4.1 虚拟样机技术及ADAMS软件简介  41
  4.2 装置虚拟样机模型构建  41-47
    4.2.1 SolidWorks与ADAMS数据传输  41-42
    4.2.2 虚拟样机模型参数的设置  42-47
  4.3 装置平地运动仿真  47
  4.4 装置爬楼运动仿真  47-50
  4.5 本章小结  50-51
5 装置驱动控制系统总体方案  51-56
  5.1 装置驱动电机选择  51-52
    5.1.1 装置技术指标  51
    5.1.2 驱动电机选择  51-52
  5.2 无刷直流电机组成及工作原理  52-53
    5.2.1 无刷直流电机简介  52
    5.2.2 无刷直流电机换相工作原理  52-53
  5.3 无刷直流电机驱动控制系统总体设计  53-55
    5.3.1 无刷直流电机调速原理  53
    5.3.2 无刷直流电机调速总体方案  53-55
    5.3.3 控制器选择  55
  5.4 本章小结  55-56
6 装置驱动系统硬件电路设计与调试  56-72
  6.1 驱动系统硬件总体设计  56
  6.2 DSP2812最小系统电路  56-60
    6.2.1 DSP2812电源模块  57
    6.2.2 DSP时钟及复位模块  57-58
    6.2.3 JTAG接口模块  58
    6.2.4 串行通信接口模块  58-59
    6.2.5 模式选择模块  59-60
    6.2.6 调试接口及键盘模块  60
  6.3 驱动电路设计  60-64
    6.3.1 缓冲模块  61
    6.3.2 光耦隔离单元  61-62
    6.3.3 IR2130驱动模块电路  62-63
    6.3.4 IPM驱动模块电路  63-64
  6.4 电机传感电路设计  64-66
    6.4.1 位置检测电路  64-65
    6.4.2 电流检测电路  65
    6.4.3 速度测量电路  65-66
  6.5 保护电路设计  66-68
    6.5.1 过压欠压保护  66-67
    6.5.2 过流保护  67
    6.5.3 故障信号综合  67-68
  6.6 电源模块电路  68
  6.7 驱动系统硬件调试  68-71
    6.7.1 DSP最小系统调试  68-69
    6.7.2 驱动板调试  69-71
    6.7.3 驱动系统总体调试  71
  6.8 本章小结  71-72
7 总结与展望  72-74
  7.1 工作总结  72-73
  7.2 研究展望  73-74
致谢  74-75
参考文献  75-78

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中图分类: > 工业技术 > 机械、仪表工业 > 仪器、仪表 > 医药卫生器械 > 其他医疗器械
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