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基于柔性双足信息的助力机器人行走控制方法研究

作　者: 郑成闻
导　师: 葛运建；宋全军
学　校: 中国科学技术大学
专　业: 模式识别与智能系统
关键词: 助力机器人 步行控制 信息获取 足底压力分布 模糊推理
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 231次
引　用: 2次
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内容摘要


可穿戴助力机器人是一种人机结合的智能交互系统,通过机器人的感知系统获取人体运动交互信息,判断人体运动意图,通过控制系统规划机器人运动轨迹,发送驱动命令提供动力。可穿戴助力机器人可以增强人体运动能力,扩展人体运动范围,在医疗,科考旅游、军事等多种领域有着广泛的应用前景。本论文主要是研究可穿戴助力机器人步行运动控制。由于人体步行过程呈现明显的周期性变化,而人体足底压力信息可以很好地映射这一周期特征,因此本项目选定足底压力分布信息作为可穿戴助力机器人控制信号输入。本文主要的研究内容如下:1.根据人体下肢运动特点,研究分析了人体步行规律和步态相位周期,为助力机器人步行运动控制系统设计提供了理论参考。2.设计了一套助力机器人柔性双足机构。该机构贴合人体足部自然构造,可减少人机干涉,改善人机交互信息测量。3.设计了一套足底压力分布信息获取系统。通过实验验证该系统的测量精度、实时性以及可靠性均可以满足测试要求。引入多传感器信息融合理论,对实验结果进行定量分析,划分人体步态相位周期,为助力机器人步行运动控制系统设计提供了数据支持。4.引入传统自主式双足机器人的层次式控制方法,从运动规划层、步态综合层和执行层三个层次对下肢助力机器人控制系统进行规划和设计。针对控制系统输入-足底压力分布信息和控制输出-驱动信息存在非线性关系,在步态综合层建立模糊控制器对两者非线性关系进行关联。通过基于理论层面的研究后,在工程层面上实现了助力机器人实验平台的研制。5.完成了控制系统有效性的实验验证。利用本文设计的控制系统,通过足底压力分布信息触发控制助力机器人完成两相位步态复现。

全文目录


摘要  4-5
ABSTRACT  5-9
第一章 绪论  9-20
  1.1 研究背景与意义  9-10
  1.2 可穿戴型助力机器人的研究概况  10-16
    1.2.1 可穿戴型助力机器人的研究历史  10-11
    1.2.2 国外研究现状  11-15
    1.2.3 国内研究现状  15-16
  1.3 可穿戴型助力机器人特点及分类  16-18
  1.4 存在的问题及技术难点分析  18
  1.5 本文主要研究内容及意义  18-19
  1.6 本章小结  19-20
第二章 人体下肢机理及机器人仿生结构设计研究  20-29
  2.1 人体下肢运动机理  20-24
    2.1.1 人体下肢解剖学  20-22
    2.1.2 人体下肢步行序列分析  22-24
  2.2 下肢助力机器人仿生结构设计  24-27
    2.2.1 仿生结构的设计原则  24-25
    2.2.2 整体仿生结构与自由度分配  25-26
    2.2.3 柔性双足仿生结构设计  26-27
  2.3 本章小结  27-29
第三章 基于柔性双足的足底压力信息获取  29-46
  3.1 人体运动的交互信息测量  29-30
  3.2 足底压力分布信息获取系统设计  30-35
    3.2.1 系统设计要求  30-31
    3.2.2 传感器选型与布局  31-33
    3.2.3 信号调理电路设计  33-34
    3.2.4 采集程序与传感器标定  34-35
  3.3 动态运动实验与结果分析  35-40
  3.4 基于足底压力分布信息的人体运动识别  40-45
    3.4.1 多传感器信息融合  40-42
    3.4.2 人体行走步态相位划分  42-45
  3.5 本章小结  45-46
第四章 下肢助力机器人控制策略研究  46-55
  4.1 控制策略设计原则  46-47
  4.2 控制系统实现框架  47-54
    4.2.1 运动规划层  47-50
    4.2.2 步态综合层  50-53
    4.2.3 执行层  53-54
  4.3 本章小结  54-55
第五章 下肢助力机器人原型样机实现  55-70
  5.1 控制系统的硬件组成  55-56
  5.2 感知系统模块实现  56-57
  5.3 驱动系统模块实现  57-62
    5.3.1 驱动系统器件选型  57-60
    5.3.2 驱动器件的组网与通讯  60-61
    5.3.3 控制器PID 参数整定  61-62
  5.4 上位机软件实现  62-66
  5.5 实验环境与实验结果  66-68
  5.6 本章小结  68-70
第六章 总结与展望  70-73
  6.1 本文总结  70-71
  6.2 未来展望  71-73
参考文献  73-77
致谢  77-78
在读期间发表的学术论文和取得的研究成果  78

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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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