下肢外骨骼运动控制系统设计与实现
这是一篇关于下肢外骨骼,动力学模型参数辨识,运动控制,交互控制,柔性控制的论文, 主要内容为下肢外骨骼机器人是一种典型的穿戴式机器人,在军事、娱乐、医疗康复等领域都得到了应用。近年来,由脑卒中或偏瘫等原因导致患者肢体运动障碍情况日益增加,而传统康复训练方式效率较低,且缺乏人机交互性。基于此,本研究设计了一套下肢外骨骼系统,旨在为患者提供高效、智能的康复训练,以弥补传统康复方式的不足。本研究主要涉及结构以及硬件设计、动力学模型参数辨识、主被动控制策略设计与实现,并利用该套平台进行人机耦合实验,结果表明,本文为相关康复训练研究搭建了一套有效的平台。本文主要研究内容如下:为了实现智能的控制算法,首先搭建了一套外骨骼机械与硬件平台。在进行设计时,为了实现复杂的交互控制以及考虑外骨骼平台的扩展性,对系统进行了模块化设计,涵盖了机械结构、驱动系统、感知系统、主控单元四个方面。对于康复医疗这一用途,着重考虑了患者操作的安全性,设计了电机软硬件限位模块。同时为了后续各种算法实现,搭建了软件开发环境并完成了基本模组程序。性能优越的控制算法需要相应的动力学模型,利用Lagrange法对下肢外骨骼进行动力学建模。同时,考虑到人机交互目的,结合外骨骼安装的三维力传感器对外骨骼人机交互力矩进行建模。对于模型有关参数未知问题,使用一种基于邻域优化算法的参数辨识策略解决。为了获取有效的辨识结果,基于傅里叶级数并利用条件数作为适应度函数,设计激励轨迹。利用设计的轨迹驱动外骨骼,采集数据并利用设计的优化算法进行参数辨识,之后对辨识结果的有效性进行了验证。最后,针对外骨骼机器人在康复领域应用问题,实现了两种控制方式,即被动控制与主动控制。被动模式实现了基于反步的控制器,令患者与外骨骼按期望轨迹进行运动。主动模式为外骨骼根据患者的运动意图进行跟随助力运动,针对交互控制先介绍了阻抗与导纳控制策略,随后对导纳控制进行实现。两种控制方式分别通过仿真与上机实验方式进行了验证。
多功能下肢康复外骨骼及云互联系统设计与研究
这是一篇关于下肢外骨骼,结构设计,计算仿真,云互联系统,样机实验的论文, 主要内容为脑卒中和交通事故患者人数逐年增多,由于医疗资源不足以及分配不均,术后肢体功能康复也成为一个亟待解决的问题。外骨骼机器人在重复性和稳定性方面具有先天的优势,十分适宜开发为助老助残设备,能够长时间、重复性地对患者进行准确的康复训练,完成训练的同时解决了传统康复治疗的一些弊端。同时云平台技术的不断发展,可以与康复设备相结合解除时间和地域的限制,实现医生与患者之间远程信息交流和康复训练。本文首先对人体下肢生理学构造和关节运动自由度进行研究,考虑人机匹配之后设计出由电动轮椅、辅助起立结构和外骨骼腿组成的下肢外骨骼机器人,整个机器人系统均采用电机作为动力源,可以实现代步、辅助起立和康复训练等功能。利用Ansys对外骨骼机器人进行静力学分析,保证其结构强度符合设计要求,并采用拓扑优化方法对部分构件进行结构优化。建立下肢外骨骼机器人康复训练姿态下的运动学模型,通过关节角度变化来计算末端位姿,同时建立单腿支撑和双腿支撑状态下的动力学模型,计算出理论状态下的关节力矩。将外骨骼机器人样机模型导入到Adams软件中进行分析得出仿真状态下的关节力矩,将仿真数据和理论数据相比较验证步态设计的合理性,利用ZMP理论验证了行走过程中的稳定性。研究云互联系统中所有使用者的需求,根据需求设计云互联系统的功能,系统层次架构以应用层、服务器层和感知层组成。应用层使用B/S结构对前端进行设计,服务器层采用主流MVC框架SSM进行设计,数据通信协议为MQTT,并通过对实体类的分析得出云互联系统UML类图,确定数据库的结构,使用HTML语言和Webstorm软件编写主页、医生界面、患者界面和管理员界面。最后确定传感器系统所涉及的元件型号,设计以模糊PID算法为基础的融合模糊PID控制系统,建立下肢外骨骼机器人实体样机模型,搭建并调试控制系统以及云互联系统,对云互联系统的各项功能进行测试,系统各项功能运行正常。利用实体样机进行外骨骼机器人代步、辅助起立以及康复训练功能实验,各项实验结果均符合预期效果,在运动过程中实际关节角度与输入角度之间存在一定的误差,但仍在可接受的范围内,验证了控制系统和机械结构设计的合理性。
多功能下肢康复外骨骼及云互联系统设计与研究
这是一篇关于下肢外骨骼,结构设计,计算仿真,云互联系统,样机实验的论文, 主要内容为脑卒中和交通事故患者人数逐年增多,由于医疗资源不足以及分配不均,术后肢体功能康复也成为一个亟待解决的问题。外骨骼机器人在重复性和稳定性方面具有先天的优势,十分适宜开发为助老助残设备,能够长时间、重复性地对患者进行准确的康复训练,完成训练的同时解决了传统康复治疗的一些弊端。同时云平台技术的不断发展,可以与康复设备相结合解除时间和地域的限制,实现医生与患者之间远程信息交流和康复训练。本文首先对人体下肢生理学构造和关节运动自由度进行研究,考虑人机匹配之后设计出由电动轮椅、辅助起立结构和外骨骼腿组成的下肢外骨骼机器人,整个机器人系统均采用电机作为动力源,可以实现代步、辅助起立和康复训练等功能。利用Ansys对外骨骼机器人进行静力学分析,保证其结构强度符合设计要求,并采用拓扑优化方法对部分构件进行结构优化。建立下肢外骨骼机器人康复训练姿态下的运动学模型,通过关节角度变化来计算末端位姿,同时建立单腿支撑和双腿支撑状态下的动力学模型,计算出理论状态下的关节力矩。将外骨骼机器人样机模型导入到Adams软件中进行分析得出仿真状态下的关节力矩,将仿真数据和理论数据相比较验证步态设计的合理性,利用ZMP理论验证了行走过程中的稳定性。研究云互联系统中所有使用者的需求,根据需求设计云互联系统的功能,系统层次架构以应用层、服务器层和感知层组成。应用层使用B/S结构对前端进行设计,服务器层采用主流MVC框架SSM进行设计,数据通信协议为MQTT,并通过对实体类的分析得出云互联系统UML类图,确定数据库的结构,使用HTML语言和Webstorm软件编写主页、医生界面、患者界面和管理员界面。最后确定传感器系统所涉及的元件型号,设计以模糊PID算法为基础的融合模糊PID控制系统,建立下肢外骨骼机器人实体样机模型,搭建并调试控制系统以及云互联系统,对云互联系统的各项功能进行测试,系统各项功能运行正常。利用实体样机进行外骨骼机器人代步、辅助起立以及康复训练功能实验,各项实验结果均符合预期效果,在运动过程中实际关节角度与输入角度之间存在一定的误差,但仍在可接受的范围内,验证了控制系统和机械结构设计的合理性。
多功能下肢康复外骨骼及云互联系统设计与研究
这是一篇关于下肢外骨骼,结构设计,计算仿真,云互联系统,样机实验的论文, 主要内容为脑卒中和交通事故患者人数逐年增多,由于医疗资源不足以及分配不均,术后肢体功能康复也成为一个亟待解决的问题。外骨骼机器人在重复性和稳定性方面具有先天的优势,十分适宜开发为助老助残设备,能够长时间、重复性地对患者进行准确的康复训练,完成训练的同时解决了传统康复治疗的一些弊端。同时云平台技术的不断发展,可以与康复设备相结合解除时间和地域的限制,实现医生与患者之间远程信息交流和康复训练。本文首先对人体下肢生理学构造和关节运动自由度进行研究,考虑人机匹配之后设计出由电动轮椅、辅助起立结构和外骨骼腿组成的下肢外骨骼机器人,整个机器人系统均采用电机作为动力源,可以实现代步、辅助起立和康复训练等功能。利用Ansys对外骨骼机器人进行静力学分析,保证其结构强度符合设计要求,并采用拓扑优化方法对部分构件进行结构优化。建立下肢外骨骼机器人康复训练姿态下的运动学模型,通过关节角度变化来计算末端位姿,同时建立单腿支撑和双腿支撑状态下的动力学模型,计算出理论状态下的关节力矩。将外骨骼机器人样机模型导入到Adams软件中进行分析得出仿真状态下的关节力矩,将仿真数据和理论数据相比较验证步态设计的合理性,利用ZMP理论验证了行走过程中的稳定性。研究云互联系统中所有使用者的需求,根据需求设计云互联系统的功能,系统层次架构以应用层、服务器层和感知层组成。应用层使用B/S结构对前端进行设计,服务器层采用主流MVC框架SSM进行设计,数据通信协议为MQTT,并通过对实体类的分析得出云互联系统UML类图,确定数据库的结构,使用HTML语言和Webstorm软件编写主页、医生界面、患者界面和管理员界面。最后确定传感器系统所涉及的元件型号,设计以模糊PID算法为基础的融合模糊PID控制系统,建立下肢外骨骼机器人实体样机模型,搭建并调试控制系统以及云互联系统,对云互联系统的各项功能进行测试,系统各项功能运行正常。利用实体样机进行外骨骼机器人代步、辅助起立以及康复训练功能实验,各项实验结果均符合预期效果,在运动过程中实际关节角度与输入角度之间存在一定的误差,但仍在可接受的范围内,验证了控制系统和机械结构设计的合理性。
多功能下肢康复外骨骼及云互联系统设计与研究
这是一篇关于下肢外骨骼,结构设计,计算仿真,云互联系统,样机实验的论文, 主要内容为脑卒中和交通事故患者人数逐年增多,由于医疗资源不足以及分配不均,术后肢体功能康复也成为一个亟待解决的问题。外骨骼机器人在重复性和稳定性方面具有先天的优势,十分适宜开发为助老助残设备,能够长时间、重复性地对患者进行准确的康复训练,完成训练的同时解决了传统康复治疗的一些弊端。同时云平台技术的不断发展,可以与康复设备相结合解除时间和地域的限制,实现医生与患者之间远程信息交流和康复训练。本文首先对人体下肢生理学构造和关节运动自由度进行研究,考虑人机匹配之后设计出由电动轮椅、辅助起立结构和外骨骼腿组成的下肢外骨骼机器人,整个机器人系统均采用电机作为动力源,可以实现代步、辅助起立和康复训练等功能。利用Ansys对外骨骼机器人进行静力学分析,保证其结构强度符合设计要求,并采用拓扑优化方法对部分构件进行结构优化。建立下肢外骨骼机器人康复训练姿态下的运动学模型,通过关节角度变化来计算末端位姿,同时建立单腿支撑和双腿支撑状态下的动力学模型,计算出理论状态下的关节力矩。将外骨骼机器人样机模型导入到Adams软件中进行分析得出仿真状态下的关节力矩,将仿真数据和理论数据相比较验证步态设计的合理性,利用ZMP理论验证了行走过程中的稳定性。研究云互联系统中所有使用者的需求,根据需求设计云互联系统的功能,系统层次架构以应用层、服务器层和感知层组成。应用层使用B/S结构对前端进行设计,服务器层采用主流MVC框架SSM进行设计,数据通信协议为MQTT,并通过对实体类的分析得出云互联系统UML类图,确定数据库的结构,使用HTML语言和Webstorm软件编写主页、医生界面、患者界面和管理员界面。最后确定传感器系统所涉及的元件型号,设计以模糊PID算法为基础的融合模糊PID控制系统,建立下肢外骨骼机器人实体样机模型,搭建并调试控制系统以及云互联系统,对云互联系统的各项功能进行测试,系统各项功能运行正常。利用实体样机进行外骨骼机器人代步、辅助起立以及康复训练功能实验,各项实验结果均符合预期效果,在运动过程中实际关节角度与输入角度之间存在一定的误差,但仍在可接受的范围内,验证了控制系统和机械结构设计的合理性。
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