人类负重外骨骼结构及其伺服控制系统设计研究

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1、全日制学术型硕士学位论文论文题目：人类负重外骨骼结构及其伺服控制系统设计研究作者姓名李渠成指导教师裴翔、贾文昂学科专业机械工程所在学院机械工程学院提交日期2015年4月浙江工业大学硕士学位论文人类负重外骨骼结构及其伺服控制系统设计研究作者姓名：李渠成指导教师：裴翔、贾文昂浙江工业大学机械工程学院2015年4月DissertationSubmittedtoZhejiangUniversityofTechnologyfortheDegreeofMasterResearchandDesignonHumanWeight-bearingExoskeletonandServoContro

2、lSystemCandidate:LiQuchengAdvisor:PeiXiang、JiaWenangCollegeofMechanicalEngineeringZhejiangUniversityofTechnologyApr2015浙江工业大学硕士学位论文人类负重外骨骼结构及其伺服控制系统设计研究摘要外骨骼技术融合了机械原理、电磁感应、流体传动、自动控制、信息等技术，是一种可穿戴的人机一体化系统。外骨骼穿戴在人体外部，为人体提供诸如保护、助力、助行等功能，能够完美地将人类的灵活性、智能性、适应性等特性与机器人负载能力强、工作时间长等特性结合，具有非常强的实用性和极大的应

3、用前景。本论文围绕外骨骼机器人机械结构设计、动力系统设计、运动学分析和实验研究等关键问题对外骨骼进行了研究。本论文主要研究内容如下：1.对人体下肢运动机理、结构参数和各关节运动特性进行了详细的分析和总结，得到了外骨骼机器人机械结构参数。根据人体仿生学原理，对外骨骼机器人髋关节、膝关节、踝关节、大腿连杆、小腿连杆和足部结构进行了合理的设计，利用SolidworksMotion软件对髋关节、膝关节进行了仿真，得到其液压缸位移、速度、加速度与关节角位移、角速度、角加速度的关系，验证设计合理性。2.在比较现有机器人驱动方式的基础上，设计了外骨骼的液压系统方案并介绍了其控制原理；设计了

4、实验用液压泵站、外骨骼液压系统液压缸和蓄能器；在分析比较现有的伺服阀基础上，对液压系统的关键控制元件伺服阀进行了选型，确定了伺服阀的型号为Star200系列2级微型伺服阀；最后建立了液压系统数学模型，利用Matlab/SIMULINK对其进行仿真。3.建立外骨骼机器人D-H坐标系，对本论文设计的外骨骼进行运动分析，验证其正向运动学的正确性；采用微分变换法对其雅克比矩阵进行了求解。4.搭建了外骨骼实验平台，对其可穿戴性、液压伺服控制和髋关节液压缸输出零扭矩现象进行实验研究。关键词：外骨骼，结构设计，液压伺服控制，运动分析ABSTRACTRESEARCHANDDESIGNONHU

5、MANWEIGHT-BEARINGEXOSKELETONANDSERVOCONTROLSYSTEMABSTRACTTheexoskeletonrobottechnologyisakindofwearableman-machineintegrationsystem,combiningwiththemechanicalstructuretechnology,sensortechnology,controltechnology,drivingtechnologyandinformationfusiontechnology.Theexoskeletoniswornintheoutsi

6、debody,providingprotection,supporting,assistingandsoontothewearer.Theexoskeletonalsocombinesthecharacteristicsofhumanintelligence,flexibilitywiththecharacteristicsofrobotstrongloadcapacity,longworkingtime.Thistechnologyhasagreatapplicationprospect.Thisthesisfocusesonthekeydirectionoftheexos

7、keletonrobot:mechanicalstructuredesign,powersystemdesign,kinematicsanalysisandexperimentalresearch.Themainresearchcontentsandresultsareasfollows:1.Thisthesisanalyzesandsummarizesthehumanlowerlimbmotioncharacteristics,structuralparameterandjointmotionchar