摘要
在日常生活中，工人和农民经常进行一些重复性高且枯燥的劳动，军人也经常搬运一些诸如炮弹、枪支、补给等重物。以上职业的人员经常要在一定强度的劳动下长时间工作，很容易造成身体疲劳，严重的还会造成身体损伤，因此，人们需要一种可穿戴的机器人来辅助工作来提高工作效率和生活质量。外骨骼机器人在为穿戴者提供了诸如保护、身体支撑等功能的基础上，还能够在操作者的控制下完成一定的功能和任务。外骨骼机器人能将机器人支撑、防护、运动等特点与人类的智慧相结合来达到更高的工作效率，因此，它在助力机构、辅助医疗设备、单兵军事作战等领域具有很大的应用价值。 本文提出了一种气动肌肉驱动的灵巧上肢外骨骼机器人。其结构和人体上肢的结构具有很高的相似度。肩关节采用一种基于万向节和轴承的并联结构，这种设计在实现肩关节三自由度运动的同时，也与人体的球状关节具有高度相似性。肩关节的驱动肌肉位于背部支架上，使其结构更为紧凑。肘关节主要采用了两根气动肌肉迂回串联的形式实现单自由度的驱动，这样的设计克服了气动肌肉安装空间不足的缺陷，肘关节处安装有定轮（扇形且带导轨），在极端角度的情况下仍能保证串联肌肉输出足够的力矩。 在前人的工作基础之上，本文改进了气动人工肌肉的制备方法，并且在气动肌肉的两端堵头上集成了微型力传感器，能实时检测气动肌肉的受力，便于对气动肌肉进行更加精确地控制研究。为了研究气动肌肉的静态特性，本文搭建了自动化的气动肌肉性能测试实验平台，并根据测试数据建立了气动肌肉的气压、力、收缩量三者之间的数学模型。在肩关节几何结构的基础之上，本文利用四元数方法建立了肩关节的几何模型，利用力学平衡方程建立了并联肩关节的三根气动肌肉受力与外部力矩之间的方程。最后利用拉格朗日方程建立了上肢外骨骼的逆动力学模型。 为了降低上肢外骨骼控制实验的难度，提高控制算法的研究效率，本文搭建了上肢外骨骼的半实物仿真平台，实物平台搭建部分包括气动回路模块、传感系统模块以及各元器件的选型与测试等，而上肢外骨骼的控制器则是在PC机中的MTLAB/Simulink软件中实现的。最后，在上肢外骨骼和气动肌肉数学模型的基础之上，本文提出了一种基于气动肌肉模型的前馈闭环控制方法，并且先后在上肢的单关节实验和联合实验中验证了该控制算法的可行性和有效性。
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