人工肌肉驱动的下肢康复外骨骼的研究.pdf

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1、学校代码：10286分类号：TP242.3密级：公开UDC：621学号：150202人工肌肉驱动的下肢康复外骨骼的研究研究生姓名：何崇伟导师姓名：王兴松教授申请学位类别工学硕士学位授予单位东南大学一级学科名称机械工程论文答辩日期2018年6月1日二级学科名称机械电子工程学位授予日期2018年月日答辩委员会主席杨继全教授评阅人盲审2018年6月3日硕士学位论文人工肌肉驱动的下肢康复外骨骼的研究专业名称：机械工程研究生姓名：何崇伟导师姓名：王兴松教授本论文获国家自然基金项目（51575100）资助。RESEARCHONLOWERLIMBREHABILITATIONEXOSKELETONDRIVEN

2、BYARTIFICIALMUSCLEAThesisSubmittedtoSoutheastUniversityFortheAcademicDegreeofMasterofEngineeringBYHEChongweiSupervisedbyProf.WANGXingsongSchoolofMechanicalEngineeringSoutheastUniversityJune2018东南大学学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大

3、学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。研究生签名：日期：东南大学学位论文使用授权声明东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、《中国学术期刊（光盘版）》电子杂志社有限公司、万方数据电子出版社、北京万方数据股份有限公司有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布（包括以电子信息形式刊登）论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布（包括以电子信息形式刊登）授权东

4、南大学研究生院办理。研究生签名：导师签名：日期：摘要人工肌肉驱动的下肢康复外骨骼的研究研究生：何崇伟导师：王兴松教授东南大学机械工程学院摘要目前，下肢损伤患者对康复外骨骼的需求日益增加，但市场上的下肢康复外骨骼售价高昂，且存在自重大、柔顺性不佳等缺点，难以满足康复人群的需求。针对上述现状，在对人体下肢功能研究的基础上，设计了一套用于下肢单侧康复的柔性外骨骼系统。该外骨骼通过带有气囊的固定器与使用者的腰部、大腿和小腿结合，采用拮抗布置的气动人工肌肉进行驱动，通过连接件和固定器将人工肌肉收缩产生的拉力作用到人体下肢，从而转化为辅助关节运动的力矩，可以对具有一定步行能力的患者的髋关节和膝关节的屈伸运

5、动进行助力。通过实验的方式对双根并联气动人工肌肉的静态特性与动态特性进行了研究。对静态特性的分析着重于对其等压特性和等张特性的分析，对动态特性的分析则从系统硬件配置和控制算法两方面出发，研究驱动气压、负载、电磁阀配置方式对人工肌肉动态特性的影响，并研究了传统PID算法和模糊自适应PID算法对阶跃信号和正弦信号的响应情况，为人工肌肉在外骨骼中的应用提供依据。通过运动学分析，建立了各组人工肌肉的长度、助力力臂和各关节转角之间的运动学模型，通过基于拉格朗日动力学方法的分析，可得到下肢髋关节和膝关节的驱动力矩模型。在运动学模型和动力学模型的基础上，分析了各组人工肌肉的连接点位置对其最大长度、最大收缩率

6、和最小助力力臂的影响，从而得到合适的布置方案，使得外骨骼的康复效果最优化。针对该外骨骼设计的控制系统可以通过位于腰部、大腿和小腿处的三个姿态测量节点获取下肢的姿态信息，并结合四个拉力传感器测得的拉力值，经数据融合算法计算后，驱动对应的电磁阀组工作，从而控制各组人工肌肉的充放气过程，实现对患者下肢的助力。为了测试外骨骼的康复助力效果，搭建了外骨骼样机测试平台。姿态测量模块获取的姿态值是控制系统的重要输入量之一，因此首先测试了姿态测量节点相对于正交编码器对转角测量的性能，随后测试了外骨骼对使用者的助力情况，通过对关节转角、拉力值、肌电信号等相关数据的分析评价其助力效果。关键词：柔性外骨骼，气动人工

7、肌肉，姿态测量，控制策略IAbstractResearchonLowerLimbRehabilitationExoskeletonDrivenbyArtificialMuscleByHEChongweiSupervisedbyProf.WANGXingsongSchoolofMechanicalEngineering,SoutheastUniversityAbstractAtpresent,the