7-DOF下肢外骨骼机器人驱动系统的设计与仿真

摘要

下肢外骨骼机器人是一种可穿戴、交互式仿生机器人，其类似人体外骨骼，通过穿戴在人体身上，与人体行动保持一致，达到辅助人体运动的目的。本文介绍了下肢外骨骼机器人的结构设计与优化、液压驱动系统设计、数学模型的建立，以及基于MATALAB、AMESim平台的仿真分析。其结构设计主要包括各关节的设计和优化，所设计机器人为7自由度，基本能复现人体下肢的所有运动功能。其驱动系统采用液压驱动，本文通过2种方案的对比优化，设计了合理的液压驱动系统和轻型液压缸，满足了机器人的工作要求。而液压系统阀控缸数学建模的建立，是实现关节连续、稳定控制的基础。最后运用AMESim平台软件建模仿真，验证理论计算的正确性和液压系统的性能。
　　设计出来的下肢外骨骼机器人机构高度范围为1051mm～1251mm，宽度最大为654mm，脚掌长度为385mm。除了踝关节的背屈/跖屈方向的转动外，可满足人体下肢各个关节不同方向的转动要求。其适合对象为:髋关节到地面的距离在851mm～1051mm范围内，臀宽不超过375mm，体重不超过80kg的人。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景和意义

1．1．1 研究背景

1．1．2 研究目的和意义

1．2 下肢外骨骼机器人国内外研究现状

1．2．1 下肢外骨骼机器人国外研究现状

1．2．2 下肢外骨骼机景人国内研究现状

1．3 面临的难题与本文所做的工作

1．4 本文研究内容

第二章 下肢外骨骼机器人的结构优化与运动分析

2．1 人体下肢解剖学概述

2．1．1 人体的基本平面和基本轴

2．1．2 下肢关节运动

2．2 人体下肢外骨骼机器人结构设计

2．2．1 人体下肢骨骼关节结构分析

2．2．2 人体下肢各关节自由度的配置

2．2．3 人体下肢各关节活动范围与变化情况

2．2．4 人体下肢外骨骼机器人结构设计

2．2．5 人体下肢外骨骼机器人驱动的设置

2．2．6 人体下肢外骨骼机器人结构的优化

2．3 下肢外骨骼机器人力学分析

2．4 下肢外骨骼机器人驱动方式的选择

2．5 机械结构的ADAMS运动仿真分析

2．6 本章小结

第三章 人体下肢外骨骼机器人液压系统的设计

3．1 液压技术简述与发展现状

3．2 下肢外骨骼机器人液压系统的总体设计

3．2．1 执行元件参数的确定

3．2．2 拟定液压系统原理图

3．2．3 液压缸的设计

3．2．4 泵、电机、电源的选型

3．2．5 阀的迸型

3．2．6 液压辅件的选型

3．3 下肢外骨骼机器人液压系统的安装

3．3．1 驱动液压缸的安装

3．3．2 液压阀的安装

3．3．3 其他元件的安装

3．4 本章小结

第四章 液压系统建模与仿真分析

4．1 建模方式的选择

4．2 基于解析法的阀控液压缸数学建模

4．3 阀控非对称液压缸系统动态性能仿真与分析

4．3．1 模型参数确定

4．3．2 阀控缸系统的频域分析

4．4 基于AMESim的液压系统建模

4．4．1 AMESim软件的介绍

4．4．2 AMESim的工作模式

4．4．3 液压伺服系统建模

4．5 仿真结果分析

4．6 不同系统参数对系统性能的影响

4．7 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 本文工作总结

5．2 未来工作展望

附录

参考文献

攻读硕士学位期间取得的科研成果

致谢