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外骨骼式老年人辅助行走装置设计研究

作　者: 张宏亮
导　师: 侯丽雅；黄新燕
学　校: 南京理工大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 外骨骼老年人髋关节辅助行走 SAC 力伺服
分类号: TH789
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 22次
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内容摘要

进入二十一世纪以来,我国人口老龄化现象日益严重,如何提高老年人生活质量受到了社会的普遍关注。外骨骼技术是一种新型的人体运动辅助机器人技术,将外骨骼技术应用于老年人助走领域,将会提高老年人下肢运动能力,是老年人助走装置研究的新方向。虽然欧美日等发达国家对此研究开展地较早,但其成果大多成本昂贵或仍处于实验室阶段,因此,必须立足国情,研究结构简单、功能实用的外骨骼式老年人辅助行走装置。论文针对外骨骼式老年人辅助行走装置进行了深入的理论分析和实验研究。首先,分析了人体下肢行走机理,进行了运动学建模,通过视频采集的方法获得了步行过程中下肢关节的运动曲线,在ADAMS仿真环境中进行了动力学分析,得到了步行过程中髋关节和膝关节的动力学曲线,并以此为依据制定了助走装置的工作原理。其次,设计了外骨骼式老年人辅助行走装置的原理样机,完成了外骨骼式老年人辅助行走装置执行器的选型、自由度安排、人机结合部的设计。为了满足助走装置控制算法对实时性的要求和与传感器信号的匹配,选用了TMS320LF2407作为助走装置的中央控制器,设计了与之相适应的双极型H桥驱动电路。搭建了采用上下位机工作方式的实验平台,为以后的实验研究做好了准备。在此基础上,根据适时适量提供辅助力矩的工作原理,提出了一种新的SAC 力伺服混合控制方法。这种控制方法通过判断髋关节的转速,在SAC控制方法和辅助力力伺服控制方法间进行切换,实现了助走装置低速时跟随人体运动,其余时间对人体进行辅助力矩输出的功能。最后,通过人体步行跟随实验和人体步行辅助实验验证了SAC力伺服混合控制方法在原理样机上的应用是有效可行的。

全文目录

摘要 3-4Abstract 4-111 绪论 11-19 1.1 研究背景和意义 11-12 1.2 国内外研究现状 12-17 1.2.1 外骨骼研究现状 12-16 1.2.2 外骨骼式老年人辅助行走装置的研究现状 16-17 1.3 有待解决的问题 17 1.4 论文结构与研究内容 17-192 人体下肢行走机理分析 19-38 2.1 人体下肢解剖学分析 19-23 2.1.1 人体解剖学的基本术语 19-20 2.1.2 人体下肢关节及其自由度 20-22 2.1.3 人体下肢链模型的建立与简化 22-23 2.2 人体下肢运动学与动力学分析 23-36 2.2.1 人体下肢行走过程运动参数提取 23-28 2.2.2 运动学分析 28-32 2.2.3 ADAMS仿真动力学分析 32-36 2.3 老年人与年轻人步行动力学特征的比较分析 36-37 2.4 本章小结 37-383 外骨骼式老年人辅助行走装置的原理样机设计 38-50 3.1 外骨骼式老年人辅助行走装置的机械设计 38-41 3.1.1 外骨骼机械设计原则 38 3.1.2 执行器的选择 38-40 3.1.3 自由度安排及结构设计 40-41 3.2 外骨骼式老年人辅助行走装置的控制及驱动电路设计 41-49 3.2.1 TMS320LF2407最小系统 42-46 3.2.2 驱动电路设计 46-48 3.2.3 电机驱动电源电压调节电路 48 3.2.4 辅助强度调节旋钮电路 48-49 3.3 本章小结 49-504 外骨骼式老年人辅助行走装置的控制方法研究 50-70 4.1 外骨骼常用控制方法的比较分析 50-51 4.2 外骨骼式老年人辅助行走装置中的SAC控制方法研究 51-58 4.2.1 SAC控制方法的基本原理 51-55 4.2.2 SAC模式下外骨骼式老年人辅助行走装置的系统建模 55-56 4.2.3 模型离散及参数辨识 56-58 4.3 外骨骼式老年人辅助行走装置中的力伺服控制方法 58-69 4.3.1 运动模式识别 59-63 4.3.2 辅助力决策算法 63-64 4.3.3 电机输出转矩的伺服控制 64-69 4.4 本章小结 69-705 实验研究 70-78 5.1 实验平台 70-72 5.2 功能验证试验 72-77 5.2.1 人体步行跟随实验 72-73 5.2.2 人体步行辅助实验 73-77 5.3 本章小结 77-786 总结与展望 78-80 6.1 工作总结 78 6.2 创新点归纳 78 6.3 展望 78-80致谢 80-81参考文献 81-85附录1 85-86附录2 86-89附录3 89

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