可穿戴下肢柔性外骨骼助力系统设计

摘要

本文在传统外骨骼研究的基础上，结合气动人工肌肉和柔性穿戴结构，设计了一种可穿戴下肢柔性外骨骼助力装置，并提供了完整的控制系统方案。研究内容主要围绕人体下肢运动学与动力学、气动人工肌肉的结构与特性、下肢柔性外骨骼的结构与分析、控制系统的设计与实验等方面，实现了较为理想的轨迹跟踪与力矩控制效果。该外骨骼的主要特点在于重量轻、功率-质量比大、柔性好，而且穿戴方便，不会产生传统刚性外骨骼给身体造成的不适和负重感，因此特别适用于辅助半残疾人的行走、下肢受伤患者的运动康复等医疗领域;另外，在助老扶残、家用护理等生活服务方面也具有一定的应用价值。
　　本文基于运动测量系统和拉格朗日方程法，获得了有效的关节驱动力矩计算方法。根据McKibben原理改进设计了新型的气动人工肌肉，并介绍其结构原理、制作方法、使用问题，建立其静力学模型以及实验测试其静态性能和动态特性。设计了使用气动人工肌肉驱动的可穿戴下肢柔性外骨骼助力装置，对其进行受力分析、运动建模、参数计算等一系列研究，获得了有效的关节助力力矩计算方法。同时，提供了该外骨骼控制系统的完整解决方案，硬件平台主要包括由气源、电磁阀和气动人工肌肉组成的气压回路，以及由中心控制器和通信传感元件组成的控制电路;软件方面主要包括数据通信、数据采集、PWM（脉宽调制）信号产生和FSPID（模糊自整定PID）控制等下位机程序，以及具有串口数据采集、数据显示保存和高级控制等功能的上位机程序。另外，本文还通过实验研究了可穿戴下肢柔性外骨骼基于位姿数据的轨迹跟踪性能和基于气压数据的力矩控制性能，并通过肌电信号测试其对下肢的助力效果。
　　本论文为实现下肢柔性外骨骼助力系统提供了基础性的解决方案，为进一步的深入研究奠定了理论和实验基础。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究的背景与意义

1．2 可穿戴外骨骼的研究现状

1．2．1 电机驱动的外骨骼

1．2．2 液压驱动的外骨骼

1．2．3 气压驱动的外骨骼

1．2．4 国内的外骨骼研究

1．3 本文主要研究内容

第二章 人体下肢的运动学与动力学研究

2．1 人体下肢行走的运动学研究

2．1．1 人体下肢的运动机理

2．1．2 人体下肢运动测量系统

2．1．3 人体下肢行走步态研究

2．2 人体下肢行走的动力学研究

2．2．1 支撑相的动力学模型

2．2．2 虚触地相的动力学模型

2．3 本章小结

第三章 可穿戴下肢柔性外骨骼的结构研究

3．1 气动人工肌肉的结构设计

3．1．1 气动人工肌肉的发展

3．1．2 气动人工肌肉的结构模型

3．1．3 气动人工肌肉使用中的问题小结

3．2 气动人工肌肉的静力学模型及性能测试

3．2．1 气动人工肌肉的静力学模型

3．2．2 气动人工肌肉的静态性能测试

3．2．3 气动人工肌肉的动态性能测试

3．3．1 下肢柔性外骨骼的结构模型

3．3．2 下肢柔性外骨骼的受力分析

3．3．3 下肢柔性外骨骼的运动模型与参数设计

3．3．4 基于气压的外骨骼关节助力力矩计算

3．4 本章小结

第四章 可穿戴下肢柔性外骨骼的控制系统设计

4．1 控制系统总体设计

4．2 控制系统硬件平台设计

4．2．1 气动执行系统设计

4．2．2 电磁阀的PWM的工作原理

4．2．3 控制电路总体设计

4．2．4 中心控制系统设计

4．2．5 通信与传感系统设计

4．3 控制系统下位机程序设计

4．3．1 下位机程序总体设计

4．3．2 下位机功能程序设计

4．3．3 下位机控制算法设计

4．4 控制系统上位机程序设计

4．5 本章小结

第五章 可穿戴下肢柔性外骨骼的实验研究

5．1 基于位姿数据的轨迹跟踪实验

5．1．1 下肢单关节的轨迹跟踪实验

5．1．2 下肢多关节的轨迹跟踪实验

5．2 基于气压数据的力矩控制实验

5．3 肌电信号采集实验与助力效果评价

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间获得的成果