上肢外骨骼助力系统的设计与研究
在当今科技不断发展的时代,外骨骼机器人作为一种能够辅助人类完成各种任务的设备,正逐渐受到广泛关注。它不仅可以在工业、医疗等领域发挥重要作用,还能为残疾人提供生活上的便利。本文将深入探讨上肢外骨骼助力系统的设计与研究,包括机械模型的构建、控制策略的制定以及相关实验的验证。
上肢外骨骼研究背景与目标
上肢外骨骼机器人的主要作用是在繁重工作操作中为人类提供帮助。然而,目前大多数外骨骼的机械结构和执行器未能充分考虑人体动力学,在实际操作中实用性欠佳。因此,研究团队决定设计一种可像背包一样穿戴在上半身的外骨骼机械模型。该模型不仅要能描述人体运动,还需结合生理学原理,将经典机械模型与神经肌肉原理相结合,以实现更有效的控制。
机械模型构建
- 模型结构 :描述外骨骼的机械系统是一个两连杆机械臂。其主要目标是减轻肩关节的扭矩,因此研究重点是与手臂相连的外骨骼关节的运动。该机械系统具有4个自由度,第一根杆b通过球形关节O固定在操作者腰部,第二根杆a通过圆柱形关节S与第一根杆相连,操作者在杆a的点M处施加负载,主动驱动器可在距关节S距离为r的位置对杆a施加力$\overrightarrow{F}$。
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动力学描述 :采用拉格朗日形式来描述系统的动力学。广义坐标包括$S_x$、$S_y$、$S_z$、$\vartheta$、$\phi$,约束条件为$f(q) = s_x^2 + s_y^2 + s_z^2 - b^2 = 0$。通过一系列公式计算出动能、势能、拉格朗日量等,最终得到系统的动力学方程。
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