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摘要目前，在医院、码头以及物流仓储中心，每天有数以万计的劳工从事搬运、抓举等高强度、高负荷的体力劳动。如何才够开发一种类似昆虫的外骨骼，使得健康或上肢残障人士能穿在身上来增加人体上肢手臂的力量与机能，从而实现轻松自如的重物抓举、搬运等动作，是科技界奋斗的目标。在此，本课题将以健康人士或残障人士的上肢增力型机械外骨骼为研究对象，首先将对目前所存在的上肢增力型机械外骨骼进行深入调研，比较其相应的优缺点，总结经验；之后，选定待研究的上肢增力型机械外骨骼，对其进行深入分析后，利用 D-H 矩阵和拉格朗日方程法建立相应的系统运动学和动力学模型；在此基础上，本文会对上肢外骨骼进行各关节独立增力控制以及所有关节联合控制的策略研究，并且利用MATLAB/Simulink 对搭建的控制系统实现模拟仿真。31393
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毕业论文关键词 上肢外骨骼 增力 运动学建模 动力学建模 MATLAB/Simulink PID 控制
Title Mathematical Modeling and Control Strategy Research of Upper-Limb Powered Exoskeleton
Abstract Nowadays, tens of thousands of workers working in the hospital, wharf, warehousingand logistics centers are engaged in the high strength, high load of physical laborsuch as handling and snatch every day.It is the struggle goal of the tech worldto develop an exoskeleton as insects’，so that health or mutilation disabilitiescan wear in their bodies and increase the strength and function of their upperbodies and arms to snatch and handle the weights easily.Therefore, this topic will focus on upper-limb powered exoskeleton of healthypeople or disabled people as the research object.First,this paper will introducethe present types of upper-limb powered exoskeleton in details, comparing theadvantages and disadvantages of them to collect experience; Then, this paper wilwork on the selected upper-limb powered exoskeleton, carring out thoroughanalysis on it, establishing the corresponding system kinematics and dynamicsmodel using D-H matrix Lagrange's equations; Based on that, this paper will carryout independent control strategy on each joint of the upper-limb poweredexoskeleton and combined control strategy on all joints,and use MATLAB/Simulinksimulation to realize the modle.
Keywords upper-limb exoskeleton, power increasing, kinematics modeling,dynamics modeling, MATLAB/Simulink, PID control
目 次
1 引言 1
1.1 本论文选题依据及研究意义 1
1.2 本论文研究内容 1
2 增力型上肢外骨骼的发展概述 2
2.1 上肢外骨骼的发展概括 2
2.2 国内外典型增力型上肢外骨骼的案例分析 2
2.2.1 应用于慢性中风患者手部治疗的外骨骼机器人 2
2.2.2 气动式上肢外骨骼机器人3
2.2.3 七自由度上肢力量协助型外骨骼机器人3
2.2.4 基于滑模控制和反馈线性化的上肢外骨骼 4
2.2.5 UCSC神经 PID 控制机器人 4
2.3 上肢外骨骼机器人的类型比较 5
2.3.1 上肢外骨骼机器人控制的分类 5
2.3.2 基于人体生物信号的控制方法论 6
2.3.2.1 基于肌肉模型导向的 EMG 控制 6
2.3.2.2 基于 EMG 的比例控制 6
2.3.2.3 基于 EMG 的模糊神经控制 6
2.3.3 基于非生物信号的控制方法论 6
2.3.3.1 上肢外骨骼的力控技术 6
2.3.3.2 基于肌肉纤文扩张传感器的神经模糊处理器 6
2.3.4 平台独立控制方法论 7
2.3.4.1 在人体模型中通过一个虚增益（FG）控制外骨骼 7
2.3.4.2 模糊神经一体化控制 7
2.3.4.3 关节和任务空间的准入控制 7
2.4 章节小结 7
3 增力型上肢外骨骼的设计结构 8
3.1 人体上肢结构模型 8
3． 2 各关节运动分析 8
3.3 增力型上肢外骨骼参数选定 10
3.4 章节小结 10
4 增力型上肢外骨骼的系统建模 11
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