基于氣動(dòng)肌肉的外骨骼上肢助力系統(tǒng)研究.pdf

1、基于氣動(dòng)肌肉的外骨骼上肢助力系統(tǒng)是一種在軍事行動(dòng)和災(zāi)難救援、救護(hù)、輔助老年人和肌肉無(wú)力患者等需要增強(qiáng)人體機(jī)能的場(chǎng)合，提供輔助力的裝置。氣動(dòng)肌肉作為一種新型氣動(dòng)執(zhí)行元件，由于氣動(dòng)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(diǎn)，將其作為外骨骼機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)器逐漸受到研究者的青睞。但國(guó)內(nèi)外關(guān)于氣動(dòng)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(dòng)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(yùn)動(dòng)機(jī)理的基礎(chǔ)上，提出適合穿戴的基于氣動(dòng)肌肉的外骨骼上肢助力系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。主要包含肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)四個(gè)自由度的設(shè)計(jì)。執(zhí)行元件為氣動(dòng)肌肉，傳動(dòng)方式采用鋼絲線傳遞。
　　接著，對(duì)該機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)動(dòng)力學(xué)分析，并用ADAMS進(jìn)行仿真分析。以此驗(yàn)證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的正確性。
　　此外，在外骨骼上肢機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了滿足關(guān)節(jié)位置控制和人機(jī)

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