助行机器人机构设计及样机研制

助行机器人机构设计及样机研制

论文摘要

随着人们生活水平的提高,对康复治疗的需求越来越大,特别是康复训练机器人。根据这种需求,研究设计了一种新型的康复训练机器人——助行机器人。该机器人模拟正常人行走的动作,不但可以对下肢有运动障碍的病人进行下肢康复训练,而且可以辅助其正常行走。本文介绍了康复训练机器人的国内外发展现状及应用情况,提出了助行机器人的总体设计方案,整体结构包括三大部分:轮驱机构、起坐机构和助力行走机构。并应用Pro/E三维设计软件进行了助行机器人总体结构设计,利用Pro/MECHANICA模块进行有限元分析。在分析正常人行走规律的基础上,运用Inventor软件的CAGD功能对助力行走机构进行了设计,并运用MATLAB/Simulink进行建模、仿真与优化,最终确定了模拟正常人行走时的机构参数。本文分析了助行机器人起坐机构控制系统,对其进行了动力学分析,推导了起坐机构动力学模型,在MATLAB/Simulink环境下进行了动力学仿真和控制仿真,完成了控制系统的设计和制作,通过实验研究证实了理论分析的正确性,并完成了起坐机构模型的轨迹控制实验,系统运行平稳,抗干扰能力强,跟踪误差达到了设计目标,从而进一步说明所建立系统的正确性和合理性。本课题进行了试验样机的研制,试验样机各部分功能满足要求,证明了本课题理论研究的正确性和结构设计方案的可行性,为日后该机构的产业化奠定了基础。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 第1章 绪论
  • 1.1 概述
  • 1.2 国内外发展与研究现状
  • 1.2.1 国外发展状况
  • 1.2.2 国内发展状况
  • 1.3 课题来源与目的
  • 1.4 本设计的主要工作内容
  • 第2章 助行机器人总体方案
  • 2.1 引言
  • 2.2 人体步态研究
  • 2.2.1 人体步态特征分析
  • 2.2.2 人体步态轨迹分析
  • 2.3 助行机器人的设计要求
  • 2.4 总体结构方案
  • 2.4.1 实现助行训练功能的条件及原理
  • 2.4.2 实现起坐功能的条件及原理
  • 2.4.3 实现轮椅功能的条件及原理
  • 2.5 本章小结
  • 第3章 总体机构设计及分析
  • 3.1 引言
  • 3.2 轮驱机构的设计
  • 3.2.1 驱动电机的选择
  • 3.2.2 驱动电机转速及功率校核
  • 3.2.3 轮驱机构框架设计
  • 3.3 起坐机构的设计与应力分析
  • 3.3.1 起坐机构的三维设计
  • 3.3.2 起坐机构的有限元分析
  • 3.3.3 驱动电机的选择
  • 3.4 助力行走机构的设计
  • 3.4.1 膝关节轨迹的机构设计
  • 3.4.2 裸关节轨迹的机构设计
  • 3.4.3 六杆机构各参数的初步确定
  • 3.4.4 电机选择
  • 3.5 基于Simulink的六杆机构运动学仿真
  • 3.6 基于Pro/Mechanism的六杆机构的运动仿真
  • 3.7 本章小结
  • 第4章 起坐机构控制系统的建模与仿真
  • 4.1 引言
  • 4.2 起坐机构控制系统动力学模型及仿真
  • 4.2.1 起坐机构动力学模型分析
  • 4.2.2 起坐机构动力学仿真分析
  • 4.3 起坐机构直流伺服系统的设计与仿真
  • 4.3.1 直流伺服电动机的基本模型
  • 4.3.2 起坐系统基于SimMechanics的动力学模型
  • 4.3.3 起坐系统速度环控制仿真
  • 4.3.4 起坐系统位置环控制仿真
  • 4.4 本章小结
  • 第5章 样机研制及实验研究
  • 5.1 引言
  • 5.2 实验控制系统
  • 5.2.1 助行机器人样机
  • 5.2.2 机器人控制系统
  • 5.3 单项功能实验
  • 5.3.1 电动轮椅功能实验
  • 5.3.2 起坐控制功能实验
  • 5.3.3 助行功能实验
  • 5.4 本章小结
  • 结论
  • 参考文献
  • 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
  • 致谢
  • 相关论文文献

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