基于氣動肌肉的外骨骼上肢助力系統(tǒng)研究.pdf

1、基于氣動肌肉的外骨骼上肢助力系統(tǒng)是一種在軍事行動和災(zāi)難救援、救護、輔助老年人和肌肉無力患者等需要增強人體機能的場合，提供輔助力的裝置。氣動肌肉作為一種新型氣動執(zhí)行元件，由于氣動肌肉與生物肌肉具有很大的相似度，并且具有很高的功率質(zhì)量比和功率體積比，提高了外骨骼的柔順性，而且還有響應(yīng)速度快、成本低廉、安全可靠等優(yōu)點，將其作為外骨骼機器人的驅(qū)動器逐漸受到研究者的青睞。但國內(nèi)外關(guān)于氣動肌肉的外骨骼系統(tǒng)研究工作，主要著重于身體局部康復(fù)輔助裝置的研

2、究和開發(fā)。本文首次將氣動肌肉用于外骨骼上肢助力系統(tǒng)，開展相關(guān)的研究。
　　首先，本文在分析人體上肢運動機理的基礎(chǔ)上，提出適合穿戴的基于氣動肌肉的外骨骼上肢助力系統(tǒng)設(shè)計方案。主要包含肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)四個自由度的設(shè)計。執(zhí)行元件為氣動肌肉，傳動方式采用鋼絲線傳遞。
　　接著，對該機構(gòu)進行運動學(xué)動力學(xué)分析，并用ADAMS進行仿真分析。以此驗證結(jié)構(gòu)設(shè)計的正確性。
　　此外，在外骨骼上肢機構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)上，設(shè)計了滿足關(guān)節(jié)位置控制和人機

3、協(xié)調(diào)動作控制的控制系統(tǒng)。每根氣動肌肉采用兩個高速開關(guān)閥實現(xiàn)進氣和排氣的獨立控制。在此基礎(chǔ)上，建立了基于氣動肌肉的外骨骼上肢助力系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并對系統(tǒng)特性進行了研究。利用Simulink工具軟件對系該統(tǒng)進行抬起重物過程的仿真，驗證了系統(tǒng)模型的正確。
　　最后，搭建基于氣動肌肉的外骨骼上肢助力實驗平臺，進行系統(tǒng)性能實驗研究。用PID控制策略實現(xiàn)肘關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)的位置控制。并且對肘關(guān)節(jié)進行了初步的人機協(xié)同動作實驗研究。實驗結(jié)果證明，系統(tǒng)