基于连续体机构的肩部外骨骼机器人的设计、建模及试验验证

摘要

外骨骼不仅可以增强人的物理机能,同时可以为神经肌肉损伤或者中风患者提供良好地康复辅助治疗。然而,现存的外骨骼大都遵循同样的设计方法和理念,并没有很好地区分两种不同的应用场合:增强物理机能或者是辅助康复治疗。刚性的运动链驱动外骨骼佩戴者从而产生所需要的运动。所以,这些高冗余度的外骨骼设计多数情况下笨重、昂贵。更大的副作用是,由于使用刚性结构,外骨骼很难做到符合人因工程,造成使用者舒适度下降。
　　基于此,为提高外骨骼使用者的穿戴舒适度,让外骨骼更加符合人因工程学原理,本硕士论文提出了一种采用柔性连续体机构的新颖外骨骼设计。这种采用柔性连续体机构的外骨骼可以被动变形、自适应于不同佩戴者的肌骨结构。本论文通过对一种肩部外骨骼机器人的设计,建模和试验验证了这种外骨骼设计的有效性。
　　本论文介绍了一种两自由度的连续体机构,它是本设计外骨骼中非常重要的一个构件。随后,对连续体结构的运动学和静力学也进行了探讨。论文后又研究了额外物理约束下的连续体结构的变形形态,并和之前无约束的变形形态进行了对比实验。
　　本论文对外骨骼机器人的整体构架进行了概述,对局部部件进行了详尽的描述。根据连续体结构运动学的推导,由于所有连续体结构中的大量次骨都由推拉来驱动,因此,对连续体次骨的驱动单元设计成为了非常重要的研究内容。本论文研究了两种驱动方式:一种使用液流转换系统推动液缸实现次骨的推拉运动,另一种通过一个两层的连续体转换机构来实现高度冗余的次骨驱动。本文使用Matlab中的xPC模块实现了对整个机电系统的控制。外骨骼从一个姿态移动到另一种姿态的路径规划在其状态空间中规划实现。
　　最后,论文对外骨骼机器人的设计进行了试验验证。由外骨骼对采用不同尺寸的肌骨结构的模拟上肢进行模拟的康复治疗运动。定量分析了柔性连续体外骨骼在康复治疗中被动变形自适应于不同的肌骨结构的形态,并定量补偿了外骨骼在辅助治疗中产生的运动误差。

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致谢

目录

List of Figures

List of Tables

Chapter 1 Intro duction

1.1 Motivation of this thesis

1.2 State-of-the-art exoskeletons

1.3 Introduction to continuum structures

1.4 Research ob jectives

1.5 Organization and contributions of this thesis

Chapter 2 Kinematics and Statics of the Continuum Structure

2.1 Modeling assumptions

2.2 Nomenclature and coordinate systems

2.3 Actuation kinematics

2.4 Task space kinematics

2.5 Statics of the continuum structure

2.6 Summary

Chapter 3 System Design of the Exoskeleton

3.1 System overview

3.2 Design of the continuum brace

3.3 Designs of the actuation unit

3.4 Digital control system

3.5 Summary

Chapter 4 Exp erimental Validation

4.1 Overview of the experimental setup

4.2 Experimental results on the mockup arms

4.3 Experimental results on a skeleton model

4.4 Summary

Chapter 5 Conclusion

5.1 Results and conclusions

5.2 Recommendations for future development

参考文献