【摘 要】
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随着科技的不断发展,可穿戴上肢外骨骼和遥操控技术成为当今社会发展中最活跃的领域之一,也成为一个国家科技水平的标志。将外骨骼遥操控技术引入到农业航空无人机训练中,已经逐步得到各国科研人员的重视,并成为热门课题。本文主要设计了一种6-DOF的可穿戴上肢外骨骼,以此来获取操控者上肢各关节的运动信息数据,上肢外骨骼运动姿态和人体上肢关节运动姿态一一对应;通过建立遥操控系统模型,外骨骼运动姿态和无人机飞行姿
【基金项目】
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国家自然科学基金项目,项目名称为:触觉感知摇操控无人机精准变量施药,课题编号为:61773171;
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随着科技的不断发展,可穿戴上肢外骨骼和遥操控技术成为当今社会发展中最活跃的领域之一,也成为一个国家科技水平的标志。将外骨骼遥操控技术引入到农业航空无人机训练中,已经逐步得到各国科研人员的重视,并成为热门课题。本文主要设计了一种6-DOF的可穿戴上肢外骨骼,以此来获取操控者上肢各关节的运动信息数据,上肢外骨骼运动姿态和人体上肢关节运动姿态一一对应;通过建立遥操控系统模型,外骨骼运动姿态和无人机飞行姿态一一对应,以此达到遥操控无人机的目的。首先对外骨骼研究发展情况进行充分调研,对人体上肢运动机理简要分析,结合人机工效学总结外骨骼的设计要求,据此确定本文外骨骼关节运动范围及自由度分配等,并初步确定上肢外骨骼的设计方案。在此基础上,明确外骨骼的整体结构设计方案与动力源的选择,以此确定驱动方式,并简化外骨骼机构模型。同时,引入触觉理念设计并进行简要说明;建立遥操控系统模型,分析主从系统框架之间的关系及主从运动姿态的对应关系。其次,基于Solidworks软件构建外骨骼各关节的三维模型。接着利用Adams软件对上肢外骨骼进行运动仿真分析;对单一关节及组合关节运动(满足人体上肢日常活动即可)进行仿真分析。对于外骨骼运动的准确性予以证实,获得在不同训练模式下的外骨骼运动仿真数据,并对仿真结果进行分析说明,为实验研究提供理论参考。同时,组合可穿戴上肢外骨骼的不同运动姿态模式:屈肘运动、抬臂屈肘运动、抬臂旋腕运动、屈肘旋腕运动、抬臂屈肘旋腕运动和复合运动,并分别进行仿真分析,获得外骨骼关节末端位移和速度仿真曲线,针对曲线图做出分析和研究。最后,进行软件、硬件调试,对外骨骼关节(单一、组合)运动进行实验设计分析。采集关节运动信息数据,分析关节运动情况,验证上肢外骨骼关节运动是否满足本文要求,为上肢关节运动信息数据库的建立奠定基础。通过实验得到以下结论:(1)可穿戴外骨骼关节组合运动过程中,相互产生一定干扰,这是外骨骼运动所无法避免的。理想情况下的运动数据与实际情况下的运动数据会略有不同,体现在关节运动范围和运动速度。(2)可穿戴外骨骼各关节组合运动过程中,肘关节屈伸运动和腕关节运动均呈现出稳定性、周期性和高效性的运动特点,基本符合人体上肢实际运动情况。(3)可穿戴外骨骼各关节组合运动过程中,由于被测者与外骨骼机构的穿戴性不高、外骨骼关节与人体上肢关节之间的贴合度受限、部分运动会受到约束及随动机构的运动带来的干扰等,导致采集的组合运动数据与理想数据有一定差距。综上所述,对人体上肢关节运动进行仿真分析及实验研究,对外骨骼机构设计及建立上肢运动数据库具有十分重要的应用价值。
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