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摘要目前，每年由于交通事故、或者小儿麻痹症等原因而导致不能行走的人数以万计，加上我国近年以来老龄化进程的加快，开发似昆虫的外骨骼那样的，使腿不便的人士能够穿戴在身上，为其提供行走以及保护等额外的动力或能力的外骨骼，已逐步得到重视。因此，本课题将以腿部残疾人士的康复增力型下肢型机械外骨骼为研究对象，进行相应的机械外骨骼设计、数学建模，以及协同控制策略研究。首先从生物力学分析人体运动理论，进行下肢外骨骼的系统设计，然后在此基础上，对已建的下肢外骨骼进行数学建模，最后在MATLAB中运用仿真工具SIMULINK建立模型，并使用PID控制方法，对其阶跃以及正弦波响应进行分析，得出可行性结果。32324
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毕业论文关键词:外骨骼,数学建模,SIMULINK,PID,控制
Title System Modeling and Cooperative Control Strategy ofLower Extremity Exoskeletons with Reha bilitation Energizing
Abstract
Currently，due to traffic accidents, or polio etc., which led to tens of thousandsof people who could not walk,coupled with the aging process of our country isspeeding up in recent years,developing the exoskeleton seems like an insect thatthe people whose leg mobility impaired can be worn on the body, and are providedprotection, walking and extra motivation or ability, has gradually takenseriously.Therefore, this subject will utilize Rehabilitation Energizing lowerlimb mechanical exoskeleton legs of people with disabilities for the study, caringout the corresponding mechanical exoskeleton design, mathematical modeling, andCoordination Control Strategy.Above all, analyzing the bio-mechanics of human walking system and designing lowerextremity exoskeleton，Then on this basis, building mathematical modeling of lowerextremity exoskeleton which has been built，Finally, use the simulation tools inMATLAB model and the PID control method, in response to get its step and sine waveresponse, and obtain the feasibility results.
Keywords Exoskeleton Mathematical models SIMULINK PID control
目次
1绪论1
1.1选题依据及研究意义..1
1.2国内外研究现状.1
1.2.1国外研究现状..1
1.2.2国内研究现状..5
1.2.3研究现状总结..7
1.3本文研究内容..7
2下肢外骨骼系统设计..8
2.1引言8
2.2人体行走的生物力学..8
2.2.1人体腿部结构..8
2.2.2运动的神经控制机理..9
2.2.3人体行走的步态参数10
2.3下肢外骨骼的结构设计..11
2.3.1下肢自由度分配..11
2.3.2关节运动范围设置.12
2.3.3基于SolidWorks的下肢外骨骼结构设计13
2.4小结.13
3下肢外骨骼的数学建模..14
3.1引言.14
3.2下肢外骨骼的运动学14
3.2.1位姿分析..14
3.2.2正运动学..16
3.3下肢外骨骼的动力学18
3.3.1动能和势能.19
3.3.2Lagrange方程20
3.3.3动力学模型建立..21
3.4小结.22
4下肢外骨骼的控制及仿真研究..23
4.1引言.23
4.2PID控制23
4.2.1控制律设计.23
4.2.2下肢外骨骼的仿真.24
4.3小结.31
结论32
致谢33
参考文献..34
1 绪论
1.1 选题依据及研究意义进入 21世纪后，我国老龄化问题越来越严重。根据官方统计，从2000 年到2013 年，65岁及以上老年人口已经从8811万增长到 13161 万，占总人口的比例值从6.96%增长到 9.7%。同样，在2006 年进行的第二次全国残疾人抽样调查结果中显示，相比 1987 年第一次调查，我国残疾人总数明显增多，从 5146 万增加到 8296 万；结果中还显示，肢体残疾是所有残疾中人数最多并且增长最快的，共有 2412 万人，占总人口的 29.1%。综上所述，我国人口老龄化、车祸及脑瘫、骨关节疾病等原因均导致了我国下肢残疾人口的增多。其肢体行动能力退化等问题加大了公共服务体系的压力，甚至可能会影响到社会代际关系的和谐。如何让行动不便的高龄老人和残疾人重新获得行走的能力是康复医疗领域中的亟需解决的问题。随着研究人员的不断努力，外骨骼技术得到了长足的发展，越来越多的人依靠外骨骼设备重新获得了独立行走的能力。下肢外骨骼，从功能上可分为训练型康复外骨骼和辅助型康复外骨骼：训练型主要帮助患者完成恢复运动能力；而辅助型则是帮助患者完成各类指定运动动作。本文以腿部残疾人士的康复增力型下肢型机械外骨骼为研究对象，进行相应的机械外骨骼设计、数学建模，以及协同控制策略研究。