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基于混合驱动智能仿生腿的设计与控制

作　者: 叶太顺
导　师: 王斐
学　校: 东北大学
专　业: 模式识别与智能系统
关键词: 智能仿生腿混合驱动磁流变阻尼器迭代学习控制联合仿真
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

近年来,智能仿生腿是机器人学、生物医学工程学和康复工程学领域一个备受关注的研究课题。由于战争、疾病、工伤、交通事故及自然灾害等原因,致使数以百万的人失去下肢,人们迫切希望通过假肢恢复截肢者的行走功能。而智能仿生腿的最大特点是能够模仿人体健康腿的运动方式步行速度可自然、随意地跟随截肢者步行速度的变化而变化。因此,开展该项目的研究对残疾人回归主流社会、减轻社会及其家庭负担具有重要的意义。目前的智能型下肢假肢大多数均为被动式和半主动式假肢,在穿戴者行走时不能提供动力,不能主动跨越楼梯和后退行走,膝关节的屈曲依赖于残肢及人体的重力,伸展是靠机械式储能的释放来实现。完全依靠健肢带动残肢行走,很容易产生疲劳感,如上斜坡等。全动力型假肢能够提供主动驱动力完成各种动作,由于受到能量消耗大的限制,不能长时间连续的工作。基于上述分析,本文提出一种以MR阻尼器为主,直流电机为辅的混合驱动膝关节和半主动控制踝关节假肢。在详细论述智能假肢研究意义、内容和方法的基础上,本文首先给出了智能假肢实验平台的总体组成和混合驱动仿生腿关节仿生设计。然后采用分割建模方法,分别建立仿生腿的运动学模型和动力学模型。接着对正常人各种路况下的步态进行分析,并对底层驱动器进行建模与控制。针对人行走步态的特征,采用迭代学习控制跟随人工腿,并在虚拟样机的仿真平台上对此控制算法进行了验证。最后通过对人体跨越障碍和后退行走的分析和仿真,突出混合驱动仿生腿更具有良好的仿人特性。考虑到智能假肢系统研制的复杂性,利用Pro/E,ADAMS和MATLAB/Simulink建立联合仿真平台。在Pro/E中建立了异构双腿行走机器人的三维实体模型。通过Mech/Pro接口将模型导入ADAMS中形成虚拟样机,并在ADAMS中建立虚拟环境。在虚拟环境中对智能假肢进行了运动学、动力学仿真,有力地保证了机构的合理性。缩短了机器人研发周期,并能在一定程度上减少研制的风险。本文重点研究了混和驱动仿生腿的机构设计以及对各种路况下步态进行分析和对人工腿跟随控制,为智能假肢的研制打下良好基础。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-11
第1章绪论  11-25
  1.1 课题的提出及其意义  11-14
  1.2 智能假肢研究现状  14-23
    1.2.1 国外智能假肢的发展及现状  14-21
    1.2.2 国内智能假肢的发展及现状  21-22
    1.2.3 智能假肢的发展方向  22-23
  1.3 论文的主要内容及论文结构  23-25
    1.3.1 主要内容  23-24
    1.3.2 论文结构  24-25
第2章实验平台及混合驱动仿生腿设计  25-39
  2.1 引言  25-26
  2.2 BRHL实验系统的总体方案设计  26-27
  2.3 混合驱动的智能仿生腿关节机构设计  27-34
    2.3.1 膝关节结构类型和驱动方式设计  28-33
    2.3.2 踝关节结构类型和驱动方式设计  33-34
  2.4 BRHL控制系统设计  34-37
    2.4.1 控制系统的总体框架  34-35
    2.4.2 控制系统的驱动系统  35-37
  2.5 本章小结  37-39
第3章混合驱动仿生腿数学建模  39-53
  3.1 引言  39
  3.2 仿生腿的运动学建模  39-47
    3.2.1 MR阻尼器和电机的安置运动学分析  39-44
    3.2.2 仿生腿的运动学模型  44-47
  3.3 仿生腿动力学建模  47-51
    3.3.1 支撑相动力学建模  47-49
    3.3.2 摆动相动力学建模  49-51
  3.4 本章小结  51-53
第4章混合驱动仿生腿的步态分析与控制  53-69
  4.1 引言  53
  4.2 步态分析  53-59
    4.2.1 人腿正常行走的步态分析  53-54
    4.2.2 不同路况下步态特征分析  54-59
  4.3 混合驱动仿生腿的控制  59-61
    4.3.1 混合驱动仿生腿的工作原理  59-60
    4.3.2 总体的控制流程  60-61
  4.4 底层驱动控制器建模与算法实现  61-67
    4.4.1 电机建模及控制  61-64
    4.4.2 阻尼器建模及控制  64-67
    4.4.3 混合驱动控制器  67
  4.5 本章小结  67-69
第5章智能仿生腿虚拟样机联合仿真  69-83
  5.1 引言  69-70
  5.2 虚拟样机联合仿真平台的搭建  70-73
    5.2.1 联合仿真平台建立方法  70-72
    5.2.2 基于Pro/E的实体建模与分析  72-73
  5.3 控制联合仿真与分析  73-81
    5.3.1 迭代学习控制算法在智能仿生腿中的应用  73-79
    5.3.2 跨障碍物过程的分析与仿真  79-80
    5.3.3 后退过程的分析与仿真  80-81
  5.4 本章小结  81-83
第6章总结与展望  83-85
  6.1 工作总结  83-84
  6.2 现存问题与后期展望  84-85
参考文献  85-89
致谢  89-91
攻读学位期间发表的论文情况  91

基于混合驱动智能仿生腿的设计与控制

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