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随着工作方式的改变和老龄人口的急剧增加,腰痛和腰部功能障碍等腰部疾病成为了人们生活的一大困扰。然而,传统的腰部康复方式要求患者频繁前往医院接受治疗,这将影响患者的正常工作生活时间,并且增加患者的经济负担。此外,传统的腰部康复器械普遍存在两个问题:一是刚性驱动,若操作不当易造成二次伤害;二是康复设备体积大,过于笨重而不适合家用。因此,本文选用气动人工肌肉作为驱动件,设计了一款柔性驱动的紧凑型家用腰部康复机器人,并对其进行了分析和控制。本文的主要研究内容如下:1.根据腰部结构及其运动规律进行了腰部康复机器人的结构设计和实物制作;将腰部简化为一个弹簧建立运动学和静力学模型,并运用坐标系转换和封闭向量法进行运动学分析,运用Timoshenko弹簧小弯曲理论进行静力学分析;结合运动学分析、静力学分析以及腰部等效弹簧参数对腰部康复机器人进行了运动学和静力学仿真,得到了气动人工肌肉长度与腰部运动角度的关系。2.介绍了气动人工肌肉的结构、工作原理及其基本特性。基于气动人工肌肉控制系统,建立了气动人工肌肉的动态特性方程、动力学特性方程以及控制系统的比例流量特性方程,由此得到气动人工肌肉控制系统的非线性动态数学模型。然后,运用小偏差线性化原理将其线性化,得到了控制系统的传递函数。3.根据PID控制原理设计了气动人工肌肉PID控制器,并运用MATLAB对气动人工肌肉控制系统进行了仿真分析,得到了阶跃和正弦信号的响应曲线;基于控制原理搭建了气动人工肌肉的控制平台,运用NI myRIO板卡和LabVIEW编程实现对气动人工肌肉的位移控制,并对控制结果进行了分析。