MATLAB增力型上肢机械外骨骼的系统建模以及控制策略研究(2)
4.1 增力型上肢外骨骼的运动学模型 11
4.1.1 机器人运动学简介 11
4.1.2 运动学模型的建立 11
4.2 增力型上肢外骨骼的动力学模型 16
4.2.1 机器人动力学简介 16
4.2.2 动力学模型的建立 16
4.3 章节小结 21
5 增力型上肢外骨骼的控制和仿真 22
5.1 使用 matlab/simulink 搭建系统控制框图 22
5.1.1 对肩关节转动角度 1 进行控制 23
5.1.2 对肘关节转动角度 2 进行控制 24
5.1.3 对腕关节转动角度 3 进行控制 26
5.1.4 三个关节的联合控制 27
5.2 PID 控制器的参数整定 29
5.3 仿真结果 30
5.3.1 肩关节转动角度 1 的输出波形及控制力矩 30
5.3.2 肘关节转动角度 2 的输出波形及控制力矩 32
5.3.3 腕关节转动角度 3 的输出波形及控制力矩 34
5.3.4 三个关节联合控制的输出波形及控制力矩 36
5.4 仿真结果分析 39
5.5 章节小结 41
结论 42
致谢 44
参考文献 45
1 引言1.1 本论文选题依据及研究意义外骨骼机器人，是美国在 2000 年启动“增强人体机能的外骨骼”(EHPA)项目研究时,为计划研制一种能提高人的能力的机器骨骼而提出的一种新型机器人概念。外骨骼机器人根据作用于帮助人体的部位不同可以分为几类：上肢型，下肢型以及全身型。本课题所探讨的增力型上肢外骨骼机器人的研究目的在于增大人体的上肢力量， 辅助健康人体进行高强度作业,或帮助上肢残障人士进行必要的日常活动而并不消耗人体太多体能。 并且，其在进行动作时要确保动作位置的精准性,以免会对人或者其他的事物造成损伤。1.2 本论文研究内容本文将对选定的增力型上肢外骨骼进行建模以及设计针对其的增力控制策略，并使用Matlab/Simulink 对此控制方案进行仿真。具体内容如下所述：第二章将概括归纳国内外增力型上肢外骨骼的发展状况并列举部分优秀设计案例，从中总结其优缺点，为接下来的设计寻找灵感。第三章将对人体外骨骼的设计结构以及参数选定进行分析，首先对人体上肢的自由度以及运动原理进行初步了解，根据前人的实验结果选定上肢外骨骼的参数范围。第三章将介绍国内外现存的较为有效的控制方法进行介绍，将其归纳整理，作为日后继续完善这一课题时的依据。第四章将对选定的增力型上肢外骨骼进行运动学和都动力学建模。其中，在运动学建模中，本文主要研究的是正向运动学，主要工具为 D-H矩阵。在动力学建模中，本文使用拉格朗日方程法，对选定模型进行分析。第五章将对本文构建的上肢外骨骼模型进行控制策略研究，并使用Matlab/Simulink 对各个关节角度的输出波形以及控制力矩进行仿真，研究讨论其控制效果。第吹冰章将探讨本文还存在的不足，以及日后在继续这一课题时的一些设想和展望。最后一章将对本文做出总结与工作概括。