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论文摘要内容

题名:

 面向下肢外骨骼弹性驱动器 的控制系统研究

作者:

 于建铭

语种:

 chi

学科:

 机械电子工程

学位:

 工程硕士

学校:

 南京工程学院

院系:

 机械工程学院

专业:

 机械工程

导师姓名:

 李建启

第二导师姓名:

 朱松青

完成日期:

 2015-03-11

题目(外文):

 The Control System Study of Elastic Actuator Oriented Low Limb Exoskeleton

关键字(中文):

 下肢外骨骼 弹性驱动器 样机实验 动力学模型 跟随运动

关键字(外文):

 Lower limb exoskeleton Elastic actuator Prototype experment Dynamical model Follow motion control

文摘:

 

下肢外骨骼机器人可以帮助人体下肢提高行走能力,是一种典型的人机一体化助力装置。弹性驱动器作为膝关节下肢外骨骼机器人唯一的驱动元件,具有抗冲击、能量循环利用、安全人机交互等优点,正逐渐取代传统的刚性驱动器成为研究热点。本课题旨在为膝关节下肢外骨骼机器人设计一套弹性驱动控制系统,以期在膝关节下肢外骨骼跟随运动、人机协调运动、能量回收利用等方面的性能得到提高。

首先,分析弹性驱动器及膝关节下肢外骨骼的机构及其多运动模式。在研究了仿生学及膝关节生物力学特性的基础上,设计出本文控制系统的载体:具有弹性驱动能力的膝关节下肢外骨骼;通过控制3个刹车离合支撑机构,弹性驱动器可操纵弹簧进行储能-释能等动作,配合着协同工作的主伺服电机,弹性驱动器具有多种工作模式,且可对能量进行回收利用。

其次,分析弹性驱动器的性能。建立弹性驱动器的速度控制模型,通过Matlab进行仿真实验,研究弹簧刚度和阻尼系数等系统参数对其频域稳定性影响;建立弹性驱动器的动力学模型,使用Matlab对其进行两种路况下的弹跳仿真分析,并进行了样机弹跳实验研究,良好的实验结果分别验证了其模型的正确性及其样机良好的弹性性能。

再次,研制膝关节下肢外骨骼机器人的控制系统。以模块化的方式,组建了包含电源模块、上位机模块、安全保护模块、运动控制模块及信号采集模块在内的硬件系统集成;设计了包括人机交互、安全保护、通信、运动控制、信号采集等功能模块的软件系统集成。

最后,完成膝关节下肢外骨骼的样机实验。研制了用于膝关节下肢外骨骼机器人运动实验的样机实验平台,完成了膝关节下肢外骨骼机器人的跟随运动实验和人机协调运动实验,验证了膝关节下肢外骨骼机器人弹性驱动控制系统的可行性。

文摘(外文):

 

Lower extremity exoskeleton robot is a kind of typically man-machine integrated power-assisted device ,which can help the human lower limb improve walking ability. The elastic actuator works as the unique driving element of knee lower limb exoskeleton, which has the advantages of energy storage, impact resistant et al. It is gradually replacing traditional rigid actuator and becoming a research hot-spot. This paper aims to design a control system for the knee lower limb exoskeleton, in order to improving the ability of following movement and energy recycling.

Firstly,after studying the present situation and development trend of lower limb exoskeleton’s drive, and the biomechanics and bionics, this paper gave the design of lower limb exoskeleton,which with flexible drive. By introducing 3 brake clutch, the elastic actuator can become multiply work mode and recycle energy.

Secondly, this paper analyzes the performance of elastic actuator. Build the speed control model of elastic actuator and verify system parameters’ influence on it through Matlab simulation. Build the dynamic model of elastic actuator after the dynamics analysis, simulate its dynamical model in two kinds of landform and do the experiment of prototype’s bounce, the good experimental results verify the correctness of model and its good elastic performance.

The hardware system integration containing power supply module, PC module, security module, motion control module and signal acquisition module is build,which is based on the modular control system of knee lower limb exoskeleton. And the software system integration is designed,which including human-computer interaction, security, communication, motion control, data acquisition and other functional modules.

The prototype experimental platform for the knee lower limb exoskeleton robot’s follow movement experiment is developed. The follow motion and man-machine coordinated movement experiment of the knee lower limb exoskeleton robot is completed.The good following characteristics verify the feasibility of elastic actuator control system of the knee lower limb exoskeleton robot.

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开放日期:

 2018-07-01

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