3-SPR+4R上肢外骨骼混联机构运动学分析与实时仿真平台的研究

3-SPR+4R上肢外骨骼混联机构运动学分析与实时仿真平台的研

究

外骨骼机器人是一种可穿戴机器人,具有操作助力、身体支撑、安全保护、辅助操作等功能,可用于增强宇航员太空作业功能,在航天领域具有广阔的应用前景。目前国内外相关研究主要集中在少自由度轮椅式康复型外骨骼机器人,不适用宇航员太空中作业的需求。

因此本文针对宇航员太空作业的特定穿戴需求设计了一种上肢外骨骼混联机构,并对混联机构运动学分析、轨迹规划联合仿真分析和运动学控制实时仿真平台等工作展开了研究。论文结合人体上肢运动自由度与宇航员的作业需求,设计了一种3-SPR+4R六自由度上肢外骨骼混联机构并确定了机构的主要参数。

采用3-SPR+R机构实现肩关节的内收/外展、屈/伸和上臂的旋内/旋外三个自由度,3R机构实现肘关节的屈/伸,前臂的旋内/旋外和腕关节的屈/伸三个自由度,两部分通过滑环机构连接并实现穿戴。采用等效机构法和分部分求解法对混联机构进行运动学分析,并分析了两种方法的优缺点。

依据3-SPR并联机构的运动特性,将混联机构等效为串联机构,建立等效机构的D-H坐标系,逐步分离变量,完成等效机构法混联机构运动学正反解分析。基于并联机构的反解,采用分部分求解法对后四个关节的串联部分进行求解,完成分部分求解法混联机构的运动学分析。

基于ADAMS和数值算例完成理论分析验证。分析了轨迹规划方法的分类与常用插值方法,通过五次多项式插值进行了关节空间的轨迹规划。

基于ADAMS建立上肢外骨骼混联机构的参数化仿真模型,基于Simulink建立关节空间轨迹规划的运动学控制模型,以Simulink为控制平台开展联合仿真,实

现了上肢外骨骼机构的运动控制模拟。基于仿真平台的优势,采用NI公司的实时仿真软硬件,开发了具有可拓展性的上肢外骨骼混联机构仿真测试平台。

利用LabVIEW开发了上位机人机交互控制界面,实现上肢外骨骼实时控制操作功能,为上肢外骨骼实物控制奠定了基础。