负重型外骨骼机器人关节运动公式化与动力学研究
The Research of the Joint Motion Fomulation and Dynamic of the Heavy-duty Exoskeleton
外骨骼机器人在军事、消防、医疗、科考、旅游、交通、反恐防暴、抢险救灾等各方面均可为人类生活带来诸多便利,拥有广阔的应用前景.外骨骼机器人的关节运动公式化技术与动力学模型在外骨骼控制中非常重要,对其进行研究的重大现实意义不言而喻.该技术涉及临床医学、人体解剖学、步态分析、数据提取、多项式拟合、动力学建模等多学科知识和方法,是目前国内外机器人研究的热点.本文围绕负重型下肢外骨骼机器人的关节运动公式化与动力学模型展开了研究.首先,简要介绍了CGA(步态分析)的概念,对人体下肢各关节行走时角度的变化规律进行了分析.针对将关节角度变化离散点数据存储至人体步态数据库方法的不足,提出了关节运动公式化.运用自适应多项式拟合的方法在数据提取分析软件Origin中提取了各个关节角度数据并根据步态阶段拟合了相应曲线,得到了踝关节、膝关节和髋关节角度随时间变化的分段函数表达式.然后,对下肢外骨骼机器人进行了运动学和动力学分析,对外骨骼机器人在矢状面内建立了三自由度运动学模型,运用D-H法建立正运动学表达式和矩阵逆变换法建立逆运动学表达式,为动力学分析奠定了基础.采用凯恩方程的方法,分别建立了外骨骼机器人单支撑态、双支撑态和双支撑一脚冗余态的动力学模型,利用所拟合各个关节角度、角速度公式,获取相应数据,在Matlab中对所建立的动力学模型进行求解运算,得到外骨骼在不同负重下行走时各关节力矩变化曲线.该曲线反应了不同负重下行走时各关节力矩变化规律,对外骨骼的控制具有一定指导意义.最后,运用多领域系统级建模仿真软件MapleSim建立了外骨骼机器人模型.将曲线拟合所得髋关节、膝关节、踝关节角度公式作为外骨骼相应关节驱动,进行仿真行走,对比各关节力矩变化曲线与动力学模型计算得到的曲线,发现两者变化范围与变化趋势大体一致,从而验证了拟合公式与动力学模型的合理性.而且还对行走过程中外骨骼重心的变化、能量的变化以及平衡性进行了分析.
- 作者：
- 王凯源
- 学位授予单位：
- 中国舰船研究院
- 专业名称：
- 兵器发射理论与技术
- 授予学位：
- 硕士
- 学位年度：
- 2018年
- 导师姓名：
- 杨建军
- 中图分类号：
- TP242
- 关键词：
- 外骨骼；关节运动公式化；动力学模型
- exoskeleton; joint motion fomulation; dynamic modeling and simulation;