上肢活動輔助外骨骼機(jī)器人研制.pdf

1、外骨骼機(jī)器人是一種可穿戴的機(jī)器人，可用于醫(yī)療康復(fù)，工業(yè)使用以及軍事等方面，可以實現(xiàn)增強穿戴者自身的機(jī)能或彌補穿戴者運動缺陷。目前外骨骼機(jī)器人已經(jīng)得到了國內(nèi)外各界的廣泛的關(guān)注。本外骨骼機(jī)器人是一款定位于家庭使用的上肢外骨骼，希望能夠?qū)崿F(xiàn)輔助穿戴者的日常生活的作用。本文主要圍繞著外骨骼的這個設(shè)計目標(biāo)敘述了外骨骼機(jī)械結(jié)構(gòu)，控制系統(tǒng)，控制算法的研發(fā)過程以及最后的實驗結(jié)果。
　　對于機(jī)械結(jié)構(gòu)部分，上肢活動輔助外骨骼機(jī)器人的設(shè)計考慮人體上肢的

2、位置特征和運動特征，進(jìn)行了擬人化的上肢構(gòu)型設(shè)計，設(shè)計了新型二自由度肘關(guān)節(jié)，使得外骨骼更加符合人體運動特征，將重力平衡系統(tǒng)應(yīng)用于鎖骨關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)處，并對其進(jìn)行了優(yōu)化，減小了外骨骼的能量消耗，基于外骨骼構(gòu)型，設(shè)計了上肢外骨骼三維模型，同時設(shè)計了新型鋼絲驅(qū)動關(guān)節(jié)，利用鋼絲繩的拉力傳動，沒有滑動摩擦損耗，大大的提高了關(guān)節(jié)的傳遞效率。
　　對于控制系統(tǒng)的搭建，首先針對該系統(tǒng)的使用人群及使用條件對系統(tǒng)的需求進(jìn)行了分析，確定了以DSP為核心的主

3、控系統(tǒng)，以及控制系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)，減小了控制周期，然后對控制系統(tǒng)硬件及軟件進(jìn)行了設(shè)計，設(shè)計了基于CAN通信和藍(lán)牙通信的嵌入式主控電路板，對下位機(jī)及上位機(jī)軟件進(jìn)行了編寫，對通信內(nèi)容進(jìn)行了定義，同時設(shè)計了高效的系統(tǒng)框架，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定與快速運行。
　　對于上肢外骨骼的控制算法，首先根據(jù)機(jī)構(gòu)簡圖建立了上肢外骨骼的坐標(biāo)系，對外骨骼進(jìn)行了空間的運動學(xué)動力學(xué)分析，實現(xiàn)了對外骨骼各個坐標(biāo)點的求取以及外骨骼各個關(guān)節(jié)力矩的求取，然后設(shè)計了主動運動控

4、制算法，使得外骨骼能夠隨意的跟隨一條曲線帶著穿戴者上肢進(jìn)行運動，并且保證了運動的精度，最后根據(jù)外骨骼的動力學(xué)模型，設(shè)計了跟隨運動控制算法，對關(guān)節(jié)進(jìn)行力矩補償，對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，為了減小算法結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性與主控系統(tǒng)的運算量，對動力學(xué)模型進(jìn)行了優(yōu)化。
　　最后，外骨骼制造裝配完成以后，進(jìn)行了外骨骼的實驗，主要研究了外骨骼結(jié)構(gòu)的舒適性，新型關(guān)節(jié)的傳動特性，輸出特性等，檢驗了重力平衡系統(tǒng)的實際效果。之后驗證了外骨骼主動運動的控制算法，檢