人类负重外骨骼结构及其伺服控制系统设计研究

伺服系统设计.

辽宁工程技术大学《电力拖动自动控制系统》课程设计 目录 1、前言 (1) 1.1设计目的 (1) 1.2设计内容 (1) 2、伺服系统的基本组成原理及电路设计 (2) 2.1伺服系统基本原理及系统框图 (2) 2.2 伺服系统的模拟PD+数字前馈控制 (4) 2.3 伺服系统的程序 (6) 3、仿真波形图 (9) 结论 (12) 心得与体会 (13) 参考文献 (14)

1、前言 1.1设计目的 1、使学生进一步掌握电力拖动自动控制系统的理论知识，培养学生工程设计能力和综合分析问题、解决问题的能力； 2、使学生基本掌握常用电子电路的一般设计方法，提高电子电路的设计和实验能力； 3、熟悉并学会选用电子元器件，为以后从事生产和科研工作打下一定的基础。 1.2设计内容 1、分析和设计具有三环结构的伺服系统，用绘图软件（matlab）画原理图还有波形图； 2、分析并理解具有三环结构的伺服系统原理。

2、伺服系统的基本组成原理及电路设计 2.1伺服系统基本原理及系统框图 伺服系统三环的PID控制原理: 以转台伺服系统为例,其控制结构如图2-1所示,其中r为框架参考角位置输入信号, 为输出角位置信号. 图2-1 转台伺服系统框图 伺服系统执行机构为典型的直流电动驱动机构,电机输出轴直接与负载-转动轴相连,为使系统具有较好的速度和加速度性能,引入测速机信号作为系统的速度反馈,直接构成模拟式速度回路.由高精度圆感应同步器与数字变换装置构成数字式角位置伺服回路. 转台伺服系统单框的位置环,速度环和电流环框图如图2-2,图2-3和图2-4所示. 图2-2 伺服系统位置环框图 图2-3 伺服系统速度环框图

一种下肢外骨骼康复机器人优化的结构设计与控制仿真分析

一种下肢外骨骼康复机器人优化的结构设计与 控制仿真分析 张玉叶１，张小栋２，江 城２，王 贺２，石强勇２ （１．咸阳师范学院物理与电子工程学院，陕西咸阳７１２０００；２． 西安交通大学机械与电子工程学院，陕西西安７１００４９） ＯｐｔｉｍｉｚｅｄＰｈｙｓｉｃａｌＤｅｓｉｇｎａｎｄＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆａＬｏｗｅｒ ｌｉｍｂＥｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎｓ’ ＲｅｈａｂｉｌｉｔａｔｉｏｎＲｏｂｏｔ ZHANC Yu y e １，ZHANC Xiaodon g ２，JIANC Chen g ２，WANC He ２，SHI Q ian gy on g ２ （１．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＰｈｙｓｉｃｓａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＸｉａｎｙａｎｇＮｏｒｍａｌＣｏｌｌｅｇｅ，Ｘｉａｎｙａｎｇ７１２０００，Ｃｈｉｎａ； ２．ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｉ’ａｎＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ７１００４９，Ｃｈｉｎａ） 摘要： 越来越多的脑卒中患者使得理疗师的康复训练工作繁重且康复效果评估体系不完整，针对此现状，设计出一款优化的外骨骼康复机器人模型。介绍了该机器人优化的结构设计，并对其进行了相对应的控制策略分析， 进而提出一种控制方法并进行了仿真分析。仿真实验研究表明，所提出的控制策略在跟踪精度和速度上都具有明显的优势。 关键词：外骨骼机器人；下肢康复；结构设计；控制策略； 仿真分析中图分类号：ＴＰ２４２文献标识码：Ａ 文章编号：１００１ ２２５７（２０１５）０５００７７０４ 收稿日期：２０１５０１２２基金项目：西安交通大学国际科技合作项目（５１２７５３８８） ；咸阳师范学院教研基金项目（１３ＸＳＹＫ０１５） Abstract ：Ｎｏｗａｄａｙｓ，ｍｏｒｅａｎｄｍｏｒｅｓｔｒｏｋｅｐａ-ｔｉｅｎｔｓｌｅａｄｔｏｔｈｅｓｔｒｅｎｕｏｕｓｒｅｈａｂｉｌｉｔａｔｉｏｎｔｒａｉｎｉｎｇｔａｓｋｓｏｆｔｈｅｒａｐｉｓｔｓａｎｄｔｈｅｉｎｃｏｍｐｌｅｔｅｒｅｈａｂｉｌｉｔａ-ｔｉｏｎｅｖａｌｕａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ．Ａｉｍｉｎｇａｔｓｕｃｈｓｉｔｕａｔｉｏｎｓｏｕｒｔｅａｍｄｅｓｉｇｎａｎｅｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎｒｅｈａｂｉｌｉｔａｔｉｏｎｒｏ-ｂｏｔ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｓｏｆｔｈｅｒｏｂｏｔｗｅａｎａｌｙｚｅｄｔｈｅｌｏｗｅｒ ｌｉｍｂｒｅｈａｂｉｌｉｔａｔｉｏｎ ｓｔｒａｔｅｇｙａｎｄｔｈｅｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｃｏｎｔｒｏｌｓｔｒａｔｅｇｙ．Ａｃｏｎｔｒｏｌｍｅｔｈｏｄｗａｓｔｈｅｒｅｆｏｒｅｐｒｏｐｏｓｅｄａｎｄａｎａ-ｌｙｚｅｄｖｉａｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｐｒｏｐｏｓｅｄｃｏｎｔｒｏｌｍｅｔｈｏｄｈａｓｏｂｖｉｏｕｓａｄ-ｖａｎｔａｇｅｓｉｎｔｒａｃｋｉｎｇｐｒｅｃｉｓｉｏｎａｎｄｓｐｅｅｄ．Ke y words ：ｅｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎｓ’ｒｏｂｏｔ；ｌｏｗｅｒｌｉｍｂｓ ｒｅｈａｂｉｌｉｔａｔｉｏｎ；ｐｈｙｓｉｃａｌｄｅｓｉｇｎ；ｃｏｎｔｒｏｌｓｔｒａｔｅｇｉｅｓ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓ ０ 引言 康复医学理论和临床治疗证明，对患者进行由简单到复杂，由协助到监护，直至患者能够生活自理 的康复训练有非常重要的意义［ １］ 。基于康复机器人社会需求和科学价值，开发一款下肢外骨骼康复机器人，其结构设计已完成论证，结构设计简洁，自适应性强，已申请发明专利。在结构设计基础上，参考文献［２ ３］ ，对康复机器人的运动学以及动力学建模进行了研究，参考文献［４］，对下肢外骨骼康复机器人的自适应控制方法进行了研究，并进行二自由度仿真， 为课题的深入研究打下基础。１ 下肢外骨骼康复机器人机械结构设 计及运动学关系 设计的康复机器人总体结构如图１所示， 采用曲柄滑块机构驱动关节旋转， 电机采用混合式丝杆电机，最大推力为８００Ｎ，简化了设计结构，膝关节 平均驱动力矩为４０Ｎ·ｍ，髋关节平均驱动力矩为５０Ｎ·ｍ。电机通过联轴器带动滚珠丝杠转动，从而带动固定于丝杠螺母上的髋关节滑块移动，滑块移动带动髋关节推杆运动使得大腿杆摆动，实现关节角度规律变化。本文中轨迹控制的输入量是关节角度，以髋关节为例其运动学关系几何简图如图２所示，图中标注的尺寸单位为ｍｍ，定义大腿和小腿 · ７７·《机械与电子》２０１５（５）

三边封制袋机系统

XINJE

三边封制袋机整体解决方案 一、项目介绍 U项目工艺介绍 三边封制袋机用于加工各种塑-塑，纸-塑等复合材料，是各种中封袋，三边封的理想制袋设备。 随着世界各个行业的髙速发展?越来越多的世界知名生产商希望通过提高整线制袋生产速度来获得更大的利润。多品种、髙品质包装袋需求的日益增强，客户对制袋机控制系统有了更高的要求，针对制袋机原有的控制系统无法达到恒张力且速度慢，工控机系统不便于维护和完成特殊工艺的制袋，信捷公司推出三边封制袋机控制系统，该控制系统采用底层集成速度控制、电子齿轮控制方式。使制袋机机貞?正达到高速恒张力，很好的满足了各种不同材料的制袋机要求。该系统结合行业特征在高温、髙湿、高腐、强电磁干扰的环境中通过了可靠性验证。 2.项目应用的产品 二、控制系统的构成 系统硬件的构成 经过实践，信捷电气以XCC系列PLC为核心系统的配置，可以帮助客户稳泄实现180 袋/分的速度。制袋机的工艺流程如下图所示：

i：主轴伺服电机 4：送料2伺服电机 2：切刀伺服电机 5：送料3伺服电机 3：送料1伺服电机 I氏尿班｝ 严也亦I e > |FF漓慈

切刀模式 1、单切模式: 2、双切模式: 各个伺服动作说明： 1、主轴伺服：启动时主轴以一个设左的速度运行（袋/分），带动横封和纵封上下运动, 由限位开光3给岀一个启动拉料信号（拉料1,拉料2,拉料3启动信号）、拉料禁止信号（一个制袋动作没有完成如果有此信号说明超速，应停机）、高位停车信号（停车时保持在高位）。现场是只有一个高位信号：伺服分三段速度，每段速度、髙度可以设左。 2、切刀伺服：拉料1结束后，切刀伺服带动切刀正转，上限位到下限位后反转，回到上限 位后停止，完成一次切刀动作。 3、送料1伺服：主轴伺服带动横封纵封上下一次给出一个启动信号，送料1伺服按照设左 的速度运行，工作方式有两种，一种是上长模式：设立长度的脉冲走完则停止, 另一种是左标模式：走完设左的脉冲数低速寻标，光电1有信号则停止。 4、送料2伺服：送料1运行时同步跟随送料1的速度和位置，在跟随中如限位开关1 有信号

伺服控制系统(设计)

第一章伺服系统概述 伺服系统是以机械参数为控制对象的自动控制系统。在伺服系统中，输出量能够自动、快速、准确地跟随输入量的变化，因此又称之为随动系统或自动跟踪系统。机械参数主要包括位移、角度、力、转矩、速度和加速度。 近年来，随着微电子技术、电力电子技术、计算机技术、现代控制技术、材料技术的快速发展以及电机制造工艺水平的逐步提高，伺服技术已迎来了新的发展机遇，伺服系统由传统的步进伺服、直流伺服发展到以永磁同步电机、感应电机为伺服电机的新一代交流伺服系统。 目前，伺服控制系统不仅在工农业生产以及日常生活中得到了广泛的应用，而且在许多高科技领域，如激光加工、机器人、数控机床、大规模集成电路制造、办公自动化设备、卫星姿态控制、雷达和各种军用武器随动系统、柔性制造系统以及自动化生产线等领域中的应用也迅速发展。 1.1伺服系统的基本概念 1.1.1伺服系统的定义 “伺服系统”是指执行机构按照控制信号的要求而动作，即控制信号到来之前，被控对象时静止不动的；接收到控制信号后，被控对象则按要求动作；控制信号消失之后，被控对象应自行停止。 伺服系统的主要任务是按照控制命令要求，对信号进行变换、调控和功率放大等处理，使驱动装置输出的转矩、速度及位置都能灵活方便的控制。

1.1.2伺服系统的组成 伺服系统是具有反馈的闭环自动控制系统。它由检测部分、误差放大部分、部分及被控对象组成。 1.1.3伺服系统性能的基本要求 1）精度高。伺服系统的精度是指输出量能复现出输入量的精确程度。 2）稳定性好。稳定是指系统在给定输入或外界干扰的作用下，能在短暂的调节过程后，达到新的或者恢复到原来的平衡状态。 3）快速响应。响应速度是伺服系统动态品质的重要指标，它反映了系统的跟踪精度。 4）调速范围宽。调速范围是指生产机械要求电机能提供的最高转速和最低转速之比。 5）低速大转矩。在伺服控制系统中，通常要求在低速时为恒转矩控制，电机能够提供较大的输出转矩；在高速时为恒功率控制，具有足够大的输出功率。 6）能够频繁的启动、制动以及正反转切换。 1.1.4 伺服系统的种类 伺服系统按照伺服驱动机的不同可分为电气式、液压式和气动式三种；按照功能的不同可分为计量伺服和功率伺服系统，模拟伺服和功率伺服系统，位置

人体下肢外骨骼仿生

人体下肢外骨骼机理分析 xx （xx,xxxx,xxxx） 摘要：本论文研究穿戴型下肢外骨骼机器人机构。所研究的外骨骼是一种可以穿戴于人体的机械装置。这种外骨骼依靠人的运动信息来控制机器人，通过机器人来完成仅靠人的自身能力无法单独完成的远行、负重等任务。这种外骨骼也可以用来检测人体运动信息，作为康复医疗器械使用。下肢穿戴外骨骼机器人是一种具有双足步行特征的典型的人机一体化系统。 关键词：穿戴外骨骼；助力机器人；机构设计；仿真分析 ANALYSIS AND DESIGN OF LOWER EXTREMITY EXOSKELETON (Mechanical Manufacturing and Automation.,No.:xxxxxxxx,Email:xxxxxxxx@https://www.360docs.net/doc/8b12771750.html,, phone:xxxxxxxxxxx) Abstract：This paper researched a kind of wearable lower extremity exoskeleton robot. The exoskeleton is a mechanism which could match the human body. It relied on human motion information to control the robot, and accomplish the travel, loading and other tasks that can not be completed by people's own capacity lonely. The exoskeleton can also be used to detect human motion information, and as the rehabilitation of medical devices. Lower extremity exoskeleton robot is a kind of typically man-machine integrated system with some biped walking robots’ characters. Keywords：Wearable exoskeletons; Assist robot; Mechanical design; Simulation and Analyze 1引言（Introduction） 外骨骼是一种给人穿戴的人机一体化 智能机械装置，它将人类的智力和机械装置的“体力”结合在一起，靠人的智力来控制机械装置，通过机械装置来完成仅靠人的自身能力无法单独完成的任务。下肢外骨骼是一种用来辅助人们行走的人机系统，它将人和两足步行机器人结合在一起，利用人的运动控制能力来控制机器人的行走，简化了自主行走式两足机器人最为常见的步态规划 和步态稳定性问题，同时它又为人类的行走提供动力协助，增强人类行走的能力和速度，特别是能够缓解人在大负重和长时间行走 情况下极易出现的疲劳感，大大扩大人类的运动范围，能够增强个人在完成某些任务时的能力。人体下肢外骨骼作为单兵系统的一部分，起到了提高士兵承载能力的作用，避免了士兵由于沉重负荷而导致的身体机能 的下降，从而提高了士兵的抵抗能力，对最终提高士兵的战斗力和生存力起到了重要 作用。故可用于军事、科考、旅游、交通等各方面，具有广泛的应用前景。 2人体外骨骼的研究背景（The background of exoskeletons） 人体下肢外骨骼机器人成为机器人领域的一个热门分支，已越来越受到学术界和工业界关注。目前，国外特别是美国、日本在这方面已经取得了巨大的进展，并逐步商业化，成为新兴产业。但国内仅有少数科研单位从事可穿戴助力机器人的研究，起步较晚，基本处在实验室试制阶段，离实用还有一定的距离。

自动控制原理课程设计 速度伺服控制系统设计

自动控制原理课程设计题目速度伺服控制系统设计 专业电气工程及其自动化 姓名 班级 学号 指导老师 机电工程学院 2009年12月

目录一课程设计设计目的 二设计任务 三设计思想 四设计过程 五应用simulink进行动态仿真六设计总结 七参考文献

一、课程设计目的： 通过课程设计，在掌握自动控制理论基本原理、一般电学系统自动控制方法的基础上，用MATLAB实现系统的仿真与调试。 二、设计任务： 速度伺服控制系统设计。 控制系统如图所示，要求利用根轨迹法确定测速反馈系数' k，以 t 使系统的阻尼比等于0.5，并估算校正后系统的性能指标。 三、设计思想： 反馈校正： 在控制工程实践中，为改善控制系统的性能，除可选用串联校正方式外，常常采用反馈校正方式。常见的有被控量的速度，加速度反馈，执行机构的输出及其速度的反馈，以及复杂系统的中间变量反馈等。反馈校正采用局部反馈包围系统前向通道中的一部分环节以实现校正，。从控制的观点来看，采用反馈校正不仅可以得到与串联校正同样的校正效果，而且还有许多串联校正不具备的突出优点：第一，反馈校正能有效地改变被包围环节的动态结构和参数；第二，在一定

条件下，反馈校正装置的特性可以完全取代被包围环节的特性，反馈校正系数方框图从而可大大削弱这部分环节由于特性参数变化及各种干扰带给系统的不利影响。 该设计应用的是微分负反馈校正： 如下图所示，微分负反馈校正包围振荡环节。其闭环传递函数为 B G s （）=00t G s 1G (s)K s +（） =22t 1T s T K s ζ+（2+）+1 =22'1 T s 21Ts ζ++ 试中，' ζ=ζ+ t K 2T ，表明微分负反馈不改变被包围环节的性质，但由于阻尼比增大，使得系统动态响应超调量减小，振荡次数减小，改善了系统的平稳性。 微分负反馈校正系统方框图

基于PLC控制的20Kg连续铸造机系统_潘美君

收稿日期：２０１２－０７－０２ 基于PLC 控制的２０Kg 连续铸造机系统 潘美君１，朱红梅１，黄嘉靖２ (1.黄河鑫业有限公司,青岛 西宁 811600;2.青海省工业职业技术学校,青岛 西宁 810020) 摘 要：为了有效控制20kg 连续铸造机的运行过程与监视,降低20kg 连续铸造机的运行故障,提高20kg 连续铸造机的生产效率的目 的;采用成熟的PLC 控制技术,运用PLC 模块化编程的方法;获得了运用成熟的PLC 能实时有效的控制20kg 连续铸造机平稳运行的结果;得到了采用PLC 自动控制系统,可有效实现控制20kg 连续铸造机平稳运行的结论。本文的创新点在于采用PLC 控制系统代替了传统的电气控制系统;采用本系统具有经济高效、稳定、维护方便、降低电能损耗等优点。 关键词：20kg 连续铸造机;Logix5000;ControlNet 中图分类号:TM571.61 文献标识码:B 文章编号:1003-7241(2013)01-0092-04 Control Foundry Machine System Based on PLC PAN Mei-Jun 1 , ZHU Hong-Mei 1 , HUANG Jia-jing2 (1. Huanghe Xinye Co.,Ltd., Xining 811600 China;2. Qinghai industrial School, Xining 810020 China) Abstract: In order to effectively control the operation of the casting machine with the monitoring process,to reduce operating faults and improve production efficiency of casting machine, the mature PLC control technology and modular program-ming method are adopted. The PLC automatic control system can control the casting machine running smoothly. The control system can instead of the advantage of economic efficiency, stable, easy maintenance, reduce the electric power etc. Key words: 20 kg continuous casting machine; Logix5000; controlNet １ 引言 20kg 铝锭铸造机是贵阳奥特机电有限公司在通过对同类产品的调研基础上,总结了目前国内外该产品的使用经验,并针对存在的问题,结合最新技术,本着“技术先进、高效可靠、操作维修方便”的原则开发的新一代产品。随找工业现代化进程加快,对生产过程的自动控制和信息通信提出了更高的要求[1]。工业自动化系统从单机的PLC 控制发展到多PLC 网络控制。目前,PLC 技术已经广泛应用于“过程自动化”和“制造自动化”两大领域,通过本文的介绍说明PLC 在制造自动化领域的应用。 ２ ２０Kg 连续铸造机工艺流程及控制要求 ２．１ 工艺流程 20kg 连续铸造机为一普通铝锭连续铸造的自动化生产线。金属铝水从混合炉出来,经溜槽和分配器注入水平式的铸造机上铸模而凝固成型。铸锭、冷却及堆垛等工序全部为自动化操作,堆垛后采用气动打捆机对铝锭进行打捆。生产工艺过程如图1。 ２．２ 控制要求 ２．２．１ 设有手动，半自动，自动三种工作方式 手动工作方式:用于对某一机构进行操作,并用于自动工作方式前协调各部动作;半自动工作方式:用于对铸造机、冷却输送机、堆垛机、成品输送机进行单体操 图１ 生产工艺流程图

外骨骼机械结构

外骨骼机械设计结构分类 1. 类人外骨骼 类人型外骨骼设计必须考虑适应每个操作者的身材体型以及承载能力 2. 非类人型外骨骼 BLEEX外骨骼设计 髋关节3自由度 AddUCtiOn Fig. 3 BLEEX HiP DegreeS ^rFrCedυin (? iewed from back). AlthoUgh bot? the ahdπcτiπn∕addLicrion Find IIeXion r eXTenSion axes p≈ι?s through rhe center Of Ihe huniatι hip joint, (he rotaiion axis does not. TlIe ad justment bracked ber?veeπ The πvπ abducti∩n/IddllCt?n (IXeS I is replacea?k t∩ Accorriinndafe WCarCrS Ot VariouS widths.

1? 膝关节1自由度 踝关节1自由度 FICXibk I OC Flexlon/ EXtCnSion ? I Ahduction/ AddUCtiOn Fig. 4 BLEEX AnklC DCgrCCS Of Freedom. Only Ihe flexion extension axis pas?e? IhrolIgb Ihe humarι? ankle jυιτιt, AbdLICtiυπ∕adduc(ion and rol<ιlion axes πrc not powered, but arc CqUiPPCd Wilh appropriate impedances. HUIllan BLEEX Lool ROtatiOn : ■ SPring StCCl PIateS

伺服控制系统应用课程

伺服控制系统应用 一、培训时间：4天、老师边讲、学员边练习，每个学员自 带电脑 二、课程大纲 1 伺服电动机的结构和工作原理 2 伺服驱动器的结构和工作原理 3 伺服驱动器主电路的接线 4 伺服驱动器位置控制模式的接线 5 伺服驱动器速度控制模式的接线 6 伺服驱动器转矩控制模式的接线 7 伺服放大器控制端子内部原理图 8 伺服放大器各端子的功能 【主办单位】中国电子标准协会 【咨询热线】0 7 5 5 – 2 6 5 0 6 7 5 7 1 3 7 9 8 4 7 2 9 3 6 李生 【报名邮箱】martin#https://www.360docs.net/doc/8b12771750.html, （请将#换成@） 9 伺服放大器和外围设备接线举例 10 伺服放大器基本参数的设置 11 利用PLC对伺服电机进行7段速的控制（应用案例举例） 12 伺服电机在速度控制模式下对工作台进行往返的控制（应用案例举例） 13 伺服电机转矩控制模式举例（应用案例举例） 14 伺服电机位置和速度复合模式的控制（应用案例举例） 三、老师介绍 程老师 男，高级技师。有着多年的职业教育经验，主要研究是自动控制技术，擅长三菱、西门子系列PLC、变频器、伺服等应用。2009年广州市人社局授予“广州市技术能手”称号。2011年公派德国学习交流，学习德国先进职教理念。2013年广州市人设局授予“广州市机电一体化专业带头人”。2014年7月，被广州市人设局派往清华大学进修学习。 本人在工控应用领域，教学成果显著，从2008年开始开发系列的视频教程，这些教程由浅到深，通俗易懂，因此在现在工控应用领域有一定的影响力，讲解的视频教程有三菱FX系列，三菱Q系列，西门子200系列，西门子300/400系列共20多个教程。

人体下肢外骨骼机器人的步态研究现状

人体下肢外骨骼机器人的步态研究现状 王楠，王建华，周民伟 外骨骼（exoskeleton ）一词来源于生物学，是指为生物提供保护和支持的坚硬的外部结构[1]，如甲壳类和昆虫等节肢动物的外骨骼系统。人体外 骨骼机器人是将人的智慧与机器的机械动力装置结合为一体的机器人[2]。美国于2000年开展了“增强人体机能的外骨骼”（Exoskeletons for Human Performance Augmentation ，EHPA ）研究项目[3-4]，自此，外骨骼机器人的开发与应用逐渐进入 人们的视线，成为关注的焦点。由于外骨骼机器人不仅为操作者提供了诸如保护、身体支撑等功能，还能在操作者的控制下完成一定的功能和任务，因此在下肢功能障碍患者的步行功能锻炼过程中的应用逐渐增多[5-7]；此外，其在单兵作战装备 【摘要】外骨骼机器人是将人的智慧与机器的机械动力装置相结合的一种机器人，不仅可以为操作者提供保护、身体支撑等功能，还可以在操作者的控制下完成一定的功能和任务，应用前景巨大。文中阐述人体下肢外骨骼机器人下肢外骨骼实现行走应具备的关节及其活动度，介绍下肢外骨骼机器人步态控制的基础——正常步态分析，详细论述了目前控制下肢外骨骼机器人行走及步态稳定性的主要方法。 【关键词】下肢；机器人；外骨骼；步态 中图分类号：R-05，R336文献标识码：A 文章编号：1674-666X(2012)01-0062-06 Current researches of gait analysis on human lower extremity exoskeleton robotic device WANG Nan,WANG Jianhua,ZHOU Minwei.Department of Overseas Chinese,Guangzhou General Hospital of Guangzhou Military Command,Guangdong 510010,China 【Abstract 】Exoskeleton robotic device is a kind of robot that combines the intelligence of human with the mechanical power of machine,which can not only provide protection and support for operators but also accomplish certain functions and missions under the control of operators.In this paper,relative key factors of lower extremity exoskeleton robotic device techniques are introduced briefly such as the joints and the range of motion (ROM)which the lower extremity exoskeleton should be equipped,the normal gait analysis which is the basis of gait control of the exoskeleton robot,and then the major walking control methods and gait stability control methods for lower extremity exoskeleton robotic device which are discussed in detail. 【Key words 】Extremities;Robotics;Exoskeleton;Gait DOI ：10.3969/j.issn.1674-666X.2012.01.010 基金项目：广东省科技计划项目（2010B010800006），广州市科技计划项目（2010J-E311） 作者单位：510010广州军区广州总医院华侨科（王楠）；脊柱外科（王建华）；医务部（周民伟）E-mail ：115989930@https://www.360docs.net/doc/8b12771750.html, 综述

伯克利下肢外骨骼(BLEEX)的机械学设计

伯克利下肢外骨骼（BLEEX）的机械学设计 Adam Zoss, H. Kazerooni, Andrew Chu Department of Mechanical Engineering University of California, Berkeley, CA, 94720, USA exo@https://www.360docs.net/doc/8b12771750.html,, https://www.360docs.net/doc/8b12771750.html, 摘要：第一种能携带负载的高效自主式下肢外骨骼已经在加州大学伯克利分校被展示出来。这篇文章概括了伯克利下肢外骨骼（BLEEX）的机械学设计。基于拟人化的BLEEX每条腿有七个自由度，其中的四个由直线液压驱动器驱动。描述了自由度的选择以及运动范围。另外，文章还包含了BLEEX主要部件方面的重要设计。 关键词：BLEEX，外骨骼，可穿戴式机器人，机械设计，步行 Ⅰ.引言 重物通常由轮式交通工具运输。然而，很多环境例如岩石地形和阶梯，给轮式交通工具带来巨大的困难。因此，在这些环境中，步行就成为一种有吸引力的运输方式，因为腿能适应各种极端地形。伯克利下肢外骨骼（通常称为BLEEX）是第一款由操纵者穿戴的野战用机器人系统，它能为其操纵者提供在任何类型的地形下付出极小努力背负载荷的能力。 BLEEX是由两个动力拟人的腿、一个电源和一个可安装各种重载的背包式框架组成（图1）。BLEEX通过人机交互引导腿的运动提供携带负载的能力，摒弃了主动驱动，BLEEX伴随操纵者的运动就像它是一对人工腿一样被他/她“穿戴”。通过将机器人的力量与智能导航、人的适应能力相结合，BLEEX允许重物在崎岖、松散和未知的地形中运送。 外骨骼通常指包含上肢或下肢或两者兼备的系统。BLEEX项目仅仅着眼于 图1下肢外骨骼的概念图。正确活动的机器腿从穿戴者身上转移走载荷 的重量，同时使穿戴者能够轻松地控制和平衡机器。

S形曲线在伺服控制系统中的应用分析

S形曲线在伺服控制系统中的应用分析 发表时间：2007-12-6郝为强来源：《伺服控制》网络版 关键字：伺服系统机械共振S形曲线Simulink 信息化调查找茬投稿收藏评论好文推荐打印社区分享 工业控制领域常用的位置或速度控制曲线包括梯形曲线、S形曲线等。本文对伺服控制系统仿真模型，并对该模型进行了仿真分析。仿真结果表明，S形速度控制曲线较之梯形曲线能够带来更小的负载速度超调与调整时间。 伺服系统具有优异的控制带宽，快速的响应速度和定位精度，已被越来越广泛地应用到 机械控制系统中。机械系统中常用的传动方式有带传动、链传动、齿轮传动等等。带传动结 构简单、适宜远距离传输，而齿轮传动准确度高，适宜对传动精度要求较高的场合。虽然上 述传动方式各具优点，但传动刚性相差较大，比如带传动的刚性较弱，属于柔性件传动；而 齿轮传动的刚性较强。传动部分的刚性与伺服控制系统的闭环共振频率点密切相关。如果机 械传动部分的刚性较弱，如带传动，则伺服控制系统在通过增益调节而改善闭环控制带宽的 过程中很容易出现共振频率点，从而导致伺服控制系统的位置或速度跟踪出现波动，甚至出 现振荡，同时机械噪音显著增加，严重恶化了伺服控制系统的性能。 为了有效地抑制共振频率点，从而改善伺服控制系统性能，设计低通滤波器或陷波器是 伺服控制领域经常使用的方法。低通滤波器主要用来抑制高频共振，但会降低了伺服控制系 统的带宽；陷波器即为带阻滤波器，主要针对共振频率点进行抑制，由于伺服控制系统共振 频率点可能有多个，且很难准确测定，因此陷波器实际的抑制效果往往不是很理想。同时无 论是低通滤波器还是带通滤波器都存在不同程度的相位延迟，使用不当可能使得伺服控制系 统出现更大的过冲或振荡，因此使用时需要反复进行对比试验，较为复杂。 工业控制领域常用的位置或速度控制曲线包括梯形曲线、S形曲线等，见图1。 图1(a)梯形位置或速度控制曲线图

下肢外骨骼康复机器人设计及运动学分析

下肢外骨骼康复机器人设计及运动学分析 发表时间：2017-03-16T14:57:02.420Z 来源：《科技中国》2017年1期作者：王子鸣[导读] 本文对该机构进行了运动学分析，并使用MATLAB对机构进行了轨迹规划仿真。 （宜昌市葛洲坝中学湖北宜昌 443002） 摘要：下肢运动功能障碍患者为数众多，常规的康复训练高度依赖理疗师，成本昂贵，常人难以承受。下肢外骨骼康复机器人能有效解决这一社会问题。本文设计了一个单腿两自由度主动驱动的下肢外骨骼康复机器人。采用两个直线驱动器分别驱动髋关节和膝关节的运动，直线驱动器末端安装有力传感器，通过时时检测人-机作用力实现机器人的柔顺控制。本文对该机构进行了运动学分析，并使用MATLAB对机构进行了轨迹规划仿真。仿真结果表明该下肢外骨骼康复机器人具备辅助病人的能力。关键词：下肢外骨骼，柔顺控制，轨迹规划 0 引言 随着人口老龄化的发展，脑卒中，骨关节炎等老龄化疾病患者数量逐渐增加。这类患者往往患有各种致残的疾病，丧失正常的运动能力[1]。在这样的时代背景下，未来社会对康复医疗的需求将越来越迫切。下肢外骨骼机器人将为解决这一社会问题发挥重要的作用。 近年来，国内外众多研究机构对康复机器人开展了深入的研究。在台架式下肢外骨骼康复机器人研究方面，瑞士HOCOMA公司和瑞士苏黎世联邦理工大学共同研制的Lokomat外骨骼康复机器人，它髋关节和膝关节各采用一个直线电机进行驱动，单腿具有两个自由度，双腿四个自由度。该机器人在轨迹控制的基础上采用了阻抗控制的方式，具有很好的实用性和用户体验[2-4]。哥伦比亚大学研发的ALEX，除了单腿的四个自由度之外，骨盆上还具有四个自由度，机器人总共具有十二个自由度，它将电机放在下肢外骨骼后方,采用带轮等实现电机远端驱动，有效地降低了机器人运动部件的惯量，该机器人采取将切向力和法向力作用在患者的踝关节的方式,切向力帮助患者按照轨迹移动,法向力用于调整踝关节轨迹的法向运动阻碍[5]。荷兰屯特大学研发的LOPES，该机器人采用绳驱动的方式，单腿有四个自由度，除了髋关节和膝关节在矢状面上的各一个旋转自由度外，还增加了骨盆的移动和髋关节的内收外展运动。该机器人同时具有两种不同的控制模式，分别为机器人主动和患者主动，充分考虑到了不同人的行走能力，能根据患者的实际需要提供必要的辅助[6]. 瑞士洛桑理工大学研制的WalkTrainer，它髋关节，膝关节，踝关节各一个自由度，单腿具有3个自由度，同时骨盆具有6个自由度，机器人总共有12个自由度。该机器人采用了肌肉电刺激的物理疗法，同时通过腿部外骨骼上的力传感器，实现了人-机的闭环控制[7]。国内上海璟和研制的Flexbot机器人实现了多体位的康复训练，病情严重的病人在康复训练初期可以躺着进行康复训练，待恢复得较好时，可以选择站立式训练[8]。 此外，在独立式下肢康复外骨骼方面，以色列的Rewalk[9], 美国的EKSO[10]，日本的HAL[11]等都是下肢康复机器人中的杰出代表。国内的电子科技大学研制的外骨骼机器人[12]，北航研制的“大艾’外骨骼机器人[13]也取得了可喜的成绩。 与传统的工业机器人相比，康复机器人的一个突出特点是与人的交互十分频繁。安全性，舒适性，以及适应各种不同的工作环境是康复机器人需要考虑的重要问题。相反，工业机器人所需的高精度，高速度等特性在这里要求并不高。因此，设计出具有柔顺性的下肢外骨骼康复机器人具有重要的意义。 本文将就设计出一套下肢外骨骼康复机器人展开论述。首先，将根据人体下肢结构进行机器人的机械机构设计，接着进行机构的运动学分析，并使用MATLAB软件对该机构进行仿真。仿真结果表明该机器人具有协助病人进行康复运动训练的能力。 1 机构模型 1.1机构模型设计 人体结构模型是设计下肢外骨骼康复机器人基础。因此，我们先对人体下肢进行分析。人体下肢主要有三个关节，分别是髋关节，膝关节，踝关节。髋关节主要有髋臼和股骨组成，在运动时，股骨绕着髋臼运动，是一个球窝关节。膝关节连接了股骨和胫骨，踝关节主要由胫骨和腓骨下端的关节面与距骨滑车构成[14]。人体行走过程中，矢状面上的运动占主导地位。为了机构的简化，我们仅考虑下肢在矢状面上的运动，并把髋、膝、踝关节都简化为铰链关节。 该下肢外骨骼康复机器人为台架式下肢外骨骼机器人，上方的支架与台架相连接。髋关节与膝关节之间的连杆与大腿绑定，膝关节与踝关节之间的连杆与小腿绑定。直线驱动器由直流电机，同步带，滚珠丝杠，以及末端的力传感器组成。同步带，滚珠丝杠等机构把直流电机的转动转化为直线运动。力传感器能够实时检测到直线驱动器的推力，当推力过大时，直线驱动器减慢速度或者停止运动甚至向反方向运动，力传感器的加入增加了康复机器人的柔顺性，避免了机器人对人的伤害。该机构中髋关节和膝关节由两个直线电机主动驱动，踝关节为被动运动。为了能够适应不同人的腿长，设计了长度调节机构。该调节机构为在调节机构上下部之间都加工出一系列出通孔，上下两部分通过螺栓连接。通过调节机构下部分与上部分在不同位置连接，可以改变机构的长度。 1.2机构参数 人体正常步行过程中，髋关节最大屈曲约30°，最大伸展约20°，膝关节最大屈曲约为65°、最大伸展为0°。踝关节最大背屈约为30°，最大跖屈约为50°[14].我们设计的该机构的适应人体身高为150mm-190mm.根据这个数据，经过运动学解算，我们选择直线驱动器的工作行程范围如表1所示。

电液伺服控制系统的设计

。 电液伺服控制系统的设计与仿真 引言 电液伺服系统具有响应速度快、输出功率大、控制精确性高等突出优点，因而在航空航天、军事、冶金、交通、工程机械等领域得到广泛应用。随着电液伺服阀的诞生，使液压伺服技术进入了电液伺服时代，其应用领域也得到广泛的扩展。随着液压系统逐渐趋于复杂和对液压系统仿真要求的不断提高，传统的利用微分方程和差分方程建模进行动态特性仿真的方法已经不能满足需要。因此，利用AMESim、Matlab／Simulink等仿真软件对电液伺服控制系统进行动态仿真，对于改进系统的设计以及提高液压系统的可靠性都具有重要意义。 1 液压系统动态特性研究概述 随着液压技术的不断发展与进步和应用领域与范围的不断扩大，系统柔性化与各种性能要求更高，采用传统的以完成执行机构预定动作循环和限于系统静态性能的系统设计远远不能满足要求。因此，现代液压系统设计研究人员对系统动态特性进行研究，了解和掌握液压系统动态工作特性与参数变化，以提高系统的响应特性、控制精度以及工作可靠性，是非常必要的。 液压系统动态特性简述 … 液压系统动态特性是其在失去原来平衡状态到达新的平衡状态过程中所表现出来的特性，原因主要是由传动与控制系统的过程变化以及外界干扰引起的。在此过程中，系统各参变量随时间变化性能的好坏，决定系统动态特性的优劣。系统动态特性主要表现为稳定性（系统中压力瞬间峰值与波动情况）以及过渡过程品质（执行、控制机构的响应品质和响应速度）问题。 液压系统动态特性的研究方法主要有传递函数分析法、模拟仿真法、实验研究法和数字仿真法等。数字仿真法是利用计算机技术研究液压系统动态特性的一种方法。先是建立液压系统动态过程的数字模型——状态方程，然后在计算机上求出系统中主要变量在动态过程的时域解。该方法适用于线性与非线性系统，可以模拟出输入函数作用下系统各参变量的变化情况，从而获得对系统动态过程直接、全面的了解，使研究人员在设计阶段就可预测液压系统动态性能，以便及时对设计结果进行验证与改进，保证系统的工作性能和可靠性，具有精确、适应性强、周期短以及费用低等优点。 仿真环境简介 基于Matlab平台的Simulink是动态系统仿真领域中著名的仿真集成环境，它在众多领域得到广泛应用。Simulink借助Matlab的计算功能，可方便地建立各种模型、改变仿真参数，有效解决了仿真技术中的问题。Simulink提供了交互的仿真环境，既可通过下拉菜单进行仿真，也可通过命令进行仿真。虽然Simulink提供了丰富的模块库，但是在Matlab／Simulink下对液压系统进行建模及仿真需要做很多简化工作，而模型的简化使得仿真结果往往出现一定的误差。AMESim (Advanced Modeling Environment for Simulation of Engineering Systems)是法国IMAGINE公司开发的一套高级仿真软件。它是一个图形化的开发环境，用于工程系统的建模、仿真和动态性能分析。AMESim的特点是面向工程应用从而使其成为

伺服系统介绍.doc

一、相关概念 伺服系统（servomechanism）又称随动系统，是用来精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统。伺服系统使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标（或给定值）的任意变化的自动控制系统。它的主要任务是按控制命令的要求、对功率进行放大、变换与调控等处理，使驱动装置输出的力矩、速度和位置控制非常灵活方便。 在机器人中，伺服驱动器控制电机的运转。驱动器采用速度环，位置环，电流环三环闭环电路，内部还设有错误检出和保护电路。驱动器通过通信连接器，控制连接器，编码连接器跟外部输入信号和输出信号相连。通信连接器主要用于跟电脑或控制器通信。控制连接器用于跟伺服控制器联接，驱动器所需的输入信号、输出信号、控制信号和一些方式选择信号都通过该控制连接器传输，它是驱动器最为关键的连接器。编码连接器跟电机编码器连接，用于接收编码器闭环反馈信号，即速度反馈和换向信号。 伺服电机主要用于驱动机器人的关节。关节越多，机器人的柔性和精准度越高，所需要使用的伺服电机的数量就越多。机器人对伺服电机的要求非常高，必须满足快速响应、高起动转矩、动转矩惯量比大、调速范围宽，要适应机器人的形体做到体积小、重量轻，还必须经受频繁的正反向和加减速运行等苛刻的条件，做到高可靠性和稳定性。伺服电机分为直流、交流和步进，工业机器人用的较多的是交流。 机器人用伺服电机

二、伺服系统的技术现状 2.1视觉伺服系统 随着机器人技术的迅猛发展,机器人承担的任务更加复杂多样,传统的检测手段往往面临着检测范围的局限性和检测手段的单一性.视觉伺服控制利用视觉信息作为反馈，对环境进行非接触式的测量,具有更大的信息量，提高了机器人系统的灵活性和精确性,在机器人控制中具有不可替代的作用。 视觉系统由图像获取和视觉处理两部分组成,图像的获取是利用相机模型将三维空间投影到二维图像空间的过程,而视觉处理则是利用获取的图像信息得到视觉反馈的过程。基本的相机模型主要包括针孔模型和球面投影模型,统一化模型是对球面模型的推广,将各种相机的图像映射到归一化的球面上。视觉伺服中的视觉反馈主要有基于位置、图像特征和多视图几何的方法。 其中,基于位置的方法将视觉系统动态隐含在了目标识别和定位中，从而简化了控制器的设计，但是一般需要已知目标物体的模型，且对图像噪声和相机标定误差较为敏感。基于图像特征的视觉反馈构造方法，其中基于特征点的方法在以往的视觉伺服中应用较为广泛，研究较为成熟，但是容易受到图像噪声和物体遮挡的影响，并且现有的特征提取方法在发生尺度和旋转变化时的重复性和精度都不是太好，在实际应用中存在较大的问题。因此，学者们提出了基于全局图像特征的视觉反馈方法，利用更多的图像信息对任务进行描述，从而增强视觉系统的鲁棒性，但是模型较为复杂，控制器的设计较为困难，且可能陷入局部极小点。目前针对这一类系统的控制器设计的研究还比较少,一般利用局部线性化模型进行控制,只能保证局部的稳定性。多视图几何描述了物体多幅图像之间的关系，间接反映了相机之间的几何关系。相比于基于图像特征的方法，多视图几何与笛卡尔空间的关系较为直接，简化了控制器的设计。常用的多视图几何包括单应性、对极几何以及三焦张量。 2.2伺服系统控制技术 现代的机器人伺服系统多采用交流伺服驱动系统，而且正在逐渐向数字化方向转变。数字控制技术已经五孔不入，如信号处理技术中的数字滤波、数字控制器，把功能更加强大的控制器芯片已经各种智能处理模块应用到工业机器人交流伺服系统中，可以实现更好的控制性能。 最近几十年，由于微电子技术的进步，各种方便用户开发的微控制器与数字信号处理器件大量涌现市场，为各种先进的智能控制算法在控制系统中的应用提供了可能。如今，各种新型的伺服控制策略大量涌现，大有与传统控制策略一较高低的趋势下面简单介绍几种： 1）矢量控制矢量控制技术的提出，为交流伺服驱动系统的快速进步提供了理论支持。矢量控制技术的主要原理为：以转子旋转磁场作为参考系，将电动机定子矢量电流经过两次坐标变换分解为直轴电流和交轴电流分量，且使两电流分量相互正交，同时对交直轴电流分量的