下肢外骨骼机器人电液伺服系统设计与仿真研究

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本文主要研究下肢外骨骼机器人电液伺服控制系统的设计与仿真问题。下肢外骨骼机器人是一种可以穿戴在人体上,由人体控制的双足机器人。它兼有人的智能和机器人的强大动力,因而未来将广泛应用于军事、助残、助老等领域。电液伺服系统具有精度高、响应速度快、功率质量比大等优点,因而在外骨骼机器人驱动领域获得了广泛应用。电液伺服系统的性能特别,人体步态的跟随性能对外骨骼机器人的性能具有决定性的影响,因此下肢外骨骼机器人电液伺服控制系统的设计与性能研究就显得尤其重要,这也正是本文的研究重点。首先本文在满足人体尺寸和步态运动特征的基础上利用三维软件设计了外骨骼机器人的模型。通过步态分析和动力学分析确定了电液伺服系统的工况。提出了三种下肢外骨骼机器人液压驱动系统原理方案并综合考虑外骨骼机器人的实际要求和成本等因素,确定了电液伺服系统的设计方案。然后分别对电液伺服系统的关键元器件液压缸、伺服阀、液压泵、溢流阀、油箱等进行了设计或选型,得到了下肢外骨骼机器人液压驱动系统的装配图。其次本文利用电液伺服阀和非对称液压缸的流量连续性方程、力平衡方程,推导出阀控缸动态数学模型;利用拉格朗日函数法和虚位移原理,建立了下肢外骨骼机器人各液压缸的负载力计算模型;通过稳定边界参数整定方法设计了下肢外骨骼机器人电液伺服系统PID控制器,并运用simulink仿真软件对该闭环控制系统跟随人体步态情况进行了仿真。仿真结果表明,该系统能够达到下肢外骨骼机器人电液伺服系统相关要求。最后本文利用Matlab/Simhydraulics软件对下肢外骨骼电液伺服系统进行了物理建模和仿真,验证了电液伺服系统的可行性。仿真结果表明:本文设计的电液伺服控制系统能够达到相关设计要求。
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