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下肢外骨骼机器人跟随系统的研究

作　者: 柴虎
导　师: 张西正
学　校: 南方医科大学
专　业: 生物医学工程
关键词: 下肢外骨骼机器人跟随系统人体下肢解剖动力学仿真 Adams仿真
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

外骨骼机器人是一门新兴的机器人技术,已经成为国际上研究热点之一。外骨骼机器人是一种可以让人直接穿戴的动力机械智能设备,它将人的智能与机器人的“体力”结合在一起,以人的智力为控制主导,结合机器人的动力设备来增强人体的防御、行走、负重等生理机能,进而提高使用者的作业能力。外骨骼机器人从结构形态大致可以分为全身外骨骼机器人、上肢外骨骼机器人、下肢外骨骼机器人以及各类关节矫正或恢复性训练的关节外骨骼机器人；按照辅助功能不同,大致可以分为两种：辅助老年人、残疾人、运动功能部分丧失的病人行走或康复的康复型外骨骼机器人和增强正常人人体机能的增力型外骨骼机器人。外骨骼机器人技术在军事、医疗、民用等许多领域有着很好的应用前景,有很大的实用和研究价值,因此许多国家开展该领域的研究。外骨骼机器人系统大致包括外骨骼机械框架系统、外骨骼动力系统和外骨骼控制系统。外骨骼机械框架系统包括各种机械肢体、机械关节、机械背架和其它附属结构,为外骨骼系统提供支撑、连接等作用。外骨骼动力系统包括能源装置和相关驱动装置,为外骨骼机器人的运作提供动力。外骨骼控制系统可以看作是跟随系统和平衡系统的结合,其中外骨骼跟随系统用于控制外骨骼机器人运动并完成期望动作；平衡系统实现外骨骼机器人的平衡控制。外骨骼机器人跟随系统是利用信号采集装置(肌电、脑电、压力、位移等传感器)采集的人体动作信号(抬手、走、跑、跳、蹲立等)并利用中央控制器进行数据处理,转换成外骨骼机器人驱动器(液压、电机、气压等)控制信号,同时采集外骨骼各机械关节、肢体的动作信号(角位移、角速度、加速度等)为反馈信号,形成闭环控制,从而使外骨骼机器人能快速精准地响应人体的动作,最大程度的实现人机动作的完全一致。按照外骨骼系统感知系统采集信号的不同类型进行分类,外骨骼机器人的跟随系统大致可分为预编程控制跟随系统、基于人体脑电信号(EEG)的外骨骼跟随系统、基于人体肌电信号(EMG)的外骨骼跟随系统和基于运动力学信号的外骨骼跟随系统4种。其中预编程控制方式可能会限制外骨骼动作模式的扩展性；脑电信号控制方式易受到外界环境的干扰,可能会影响人脑对其他动作的控制；肌电信号控制方式中肌电传感器安装要求高,穿戴不方便而且容易脱落；基于运动力学信号的跟随系统的控制信号采集简易且控制起来相对精准对系统的响应存在较严重的滞后,所以论文中拟采用基于运动力学信号和预编程控制相结合的下肢外骨骼跟随系统。研究中利用压力传感器、角度传感器、关节编码器等电子元件设计用于采集人体脚底压力信号和运动关节信息的感知系统,为跟随系统提供研究基础；同时分析研究下肢外骨骼机器人运动学和动力学问题,建立运动学和动力学模型,为外骨骼跟随系统提供控制策略,并利用虚拟仪器技术对跟随系统进行相关仿真实验。论文中以基于运动力学信号的下肢外骨骼跟随系统的研究为重点,以机器人运动学和动力学理论为基础,利用相关控制理论知识,开展了以下研究工作,为外骨骼机器人技术研究提供基础：(1)介绍了国内外外骨骼机器人技术发展现状,将外骨骼机器人进行分类和介绍,并对国内外典型外骨骼机器人如BLEEX、HULC、HAL、XOS等外骨骼机器人的机械结构、整体性能、控制策略进行分析介绍,阐述了外骨骼的应用价值和研究意义,展望外骨骼机器人的发展趋势。(2)在人体解剖学基础上,对人体下肢髋关节、膝关节和踝关节的解剖结构和运动机理进行分析,分析各个关机的运动自由度、运动形式和关节运动范围,为下肢外骨骼机器人机械结构设计和分析提供参考。随后对人体的行走系统进行研究,介绍人体行走步态周期的概念,将步态周期划分为左单支撑、左双支撑、右单支撑和右双支撑4个部分,进而为下肢外骨骼系统的行走规划控制跟随系统提供参考。论文中介绍了零点力矩(ZMP)理论在下肢外骨骼机器人行走稳定性方面的应用,同时解释压力中心(COP)概念及其与ZMP之间的关系,为下肢外骨骼机器人行走稳定性分析提供理论依据。(3)结合仿生学理论,利用Solidwork软件分析设计了下肢外骨骼机器人的机械结构原理。参考人体下肢关节运动机理,配置下肢外骨骼机器人机械髋关节、膝关节和踝关节的自由度,同时分析设计机械关节上的驱动系统。论文中在下肢外骨骼2条机械腿上的髋关节配置外展/内收和屈/伸2个自由度,在膝关节上分配屈/伸1个自由度,踝关节上在膝关节上分配屈/伸2个自由度；选择液压驱动系统作为的动力系统。考虑到人体行走时各个关节输出力矩的不同,下肢外骨骼2条机械腿的髋关节和膝关节上配置液压驱动模块分别安装驱动模块,而踝关节则由人体主动控制；同时论文对液压驱动系统的设计和选择依据进行分析介绍。随后利用机器人运动学理论,建立下肢外骨骼机器人的DH模型,进行运动学分析：同时利用机器人运动学理论建立下肢外骨骼机器人的动力学模型,针对不同行走状态,建立下肢外骨骼机器人行走中单支撑状态和双支撑状态动力学方程,为下肢外骨骼跟随系统设计提供理论参考。(4)论文中利用压力传感器、倾角传感器、关节编码器等电子元件设计下肢外骨骼机器人的传感系统,压力传感器实时测量当前足压,为步态判定提供参数,同时置于人体大腿和小腿上的倾角传感器实时检测当前人体姿态,为外骨骼各个关节转动提供参数,控制器融合各个传感器上信息,计算出当前外骨骼系统各个关节所需力矩,并驱动各个关节运转,同时外骨骼关节上的编码器实时采集外骨骼关节角度变量,并返回到控制器,形成反馈,从而实时调节外骨骼的姿态,使系统快速精确地响应人体动作。论文中利用压力传感器设计了一种传感靴,用于人体行走时足底压力信号的采集,据观察人体在行走中,足部与地面接触时其主要支撑点集中在脚跟、第一趾骨根部和第五趾骨根部,且经过多次实验验证,足底压力信号变化在这三个部位最为敏感,因此为了准确地获取脚底压力信号变化,在传感靴底部相应部位安装压力传感器,采集人体行走时脚底压力信号,对下肢外骨骼人机系统的行走状态进行判定。通过对脚跟、第一趾骨根部和第五趾骨根3个部位压力信号进行分析总结,得到其变化规律,下肢外骨骼系统行走控制提供参考。同时在人体大腿干末端和小腿杆上端(膝关节上下)安装倾角传感器,用于采集人体行走中各个关节角度信号,并和压力信息一起送入控制器,通过相关融合算法进行处理,提取特征信号,为跟随系统控制器提供依据,进而确定外骨骼系统各个关节驱动器的输出力矩。(5)结合虚拟仪器技术,建立了下肢外骨骼跟随系统控制模型,并在此基础上进行相关仿真实验,验证跟随系统的控制效率。借鉴机器人动力学理论和相关控制理论,建立下肢外骨骼机器人各个运动关节(髋关节和膝关节)的在不同行走状态下动力学方程。利用Matlab中Simulink工具箱建立下肢外骨骼各个关节的跟随系统模型,并进行相关仿真实验,为外骨骼跟随系统设计提供实验平台,降低研究成本,缩短周期。同时将Solidwork中设计的下肢外骨骼机器人机械原理图导入Adams/view中,建立下肢外骨骼系统仿真模型,用于仿真下肢外骨骼系统在行走起步、左单支撑和右单支撑状态下各个连杆(大腿、小腿和脚)和各个关节(髋关节和膝关节)的运动轨迹、角速度和角加速度的变化规律,验证跟随系统的可行性,为跟随系统设计提供实验平台和理论参考。论文中以机器人动力学和运动学为基础,结合人体下肢解剖学和相关控制机器人控制理论,利用虚拟仪器技术研究下肢外骨骼机器人跟随系统,同时总结工作中的不足及后期工作的研究重点,为下肢外骨骼机器人研究设计打下基础。

全文目录

摘要  3-7
Abstract  7-14
第1章绪论  14-25
  1.1 外骨骼机器人的发展现状  14-20
  1.2 外骨骼机器人跟随系统的研究现状  20-23
    1.2.1 外骨骼机器人控制系统  20-21
    1.2.2 外骨骼机器人跟随系统  21-23
    1.2.3 外骨骼机器人跟随系统存在的问题  23
  1.3 论文主要研究工作  23-25
    1.3.1 论文主要研究内容和方法  23
    1.3.2 论文各章节主要内容  23-25
第2章下肢外骨骼机器人运动分析  25-44
  2.1 人体下肢解剖学分析  25-28
    2.1.1 人体解剖学概述  25-26
    2.1.2 人体下肢关节机理研究  26-28
  2.2 人体行走系统分析  28-29
  2.3 步态稳定性分析  29-31
    2.3.1 下肢外骨骼系统ZMP研究  29-30
    2.3.2 足底压力中心COP与ZMP研究  30-31
  2.4 外骨骼机器人结构原理分析  31-37
    2.4.1 下肢外骨骼机器人机械结构原理分析  32-33
    2.4.2 液压驱动系统分析研究  33-37
  2.5 下肢外骨骼运动学分析  37-40
  2.6 下肢外骨骼动力学分析  40-43
  2.7 本章小结  43-44
第3章感知系统分析与设计  44-62
  3.1 信号采集系统分析设计  45-49
    3.1.1 C8051F040单片机系统介绍  45
    3.1.2 传感器选择及配置  45-49
  3.2 感知平台硬件部分电路设计  49-55
    3.2.1 放大滤波电路设计  49-51
    3.2.2 感知系统总体电路图设计  51-52
    3.2.3 感知系统软件设计  52-55
  3.3 实验结果  55-61
    3.3.1 足底压力信号检测  55-60
    3.3.2 角度信号检测  60
    3.3.3 感知系统程序输出结果  60-61
  3.4 本章小结  61-62
第4章下肢外骨骼机器人跟随系统仿真  62-80
  4.1 Matlab中Simulink工具箱介绍  64-65
  4.2 下肢外骨骼跟随系统Simulink设计仿真  65-69
  4.3 Adams中下肢外骨骼机器人运动仿真  69-71
    4.3.1 运动参数提取  70
    4.3.2 模型建立  70-71
  4.4 Adams模型仿真与仿真结果分析  71-79
    4.4.1 下肢外骨骼机器人行走起步仿真  72-74
    4.4.2 下肢外骨骼机器人右单支撑行走仿真  74-77
    4.4.3 下肢外骨骼机器人左单支撑行走仿真  77-79
  4.5 本章小结  79-80
第5章结论与展望  80-82
  5.1 论文主要研究工作总结  80
  5.2 后期研究工作展望  80-82
参考文献  82-86
攻读学位期间成果  86-87
附录  87-97
  附录1 感知系统主程序  87-94
  附录2 Simulink函数程序  94-97
致谢  97-98

下肢外骨骼机器人跟随系统的研究

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