主动驱动自平衡轮式外骨骼设计

论文总字数：32360字

摘 要

为了改善普通外骨骼机构不易携带的问题，并增强外骨骼机构在人们日常生活中应用，本文从外骨骼机构的概念出发，设计了一种主动驱动的轮式外骨骼机构，能够实现加减速行驶和正常步行两种操作模式。其主动驱动的特点免除了人力的损耗，且能通过姿态来控制行驶速度的快慢，为现有的轮式外骨骼机构提供了一种新的设计思路。

本文首先完成了对该轮式外骨骼机构的完整结构设计，设计符合人体工学；对轮毂电机、电源进行了功率计算和选型，完成了对减震弹簧的强度计算，并对重要连接件进行了强度校核，验证了结构的可靠性和合理性。在控制方面，本文基于STM32F103对控制原理进行了分析，给出了硬件原理图。初步运用PWM脉冲调制对轮毂电机的转速进行了调控，同时基本实现了对JY901姿态角度传感器的控制和数据分析，运用姿态来调整电机转速的快慢，并搭建了模拟平台对该部分进行了相应的实验，验证了可行性。

关键词：轮式外骨骼；结构设计；轮毂电机；姿态控制

Abstract

In order to improve the problem that common exoskeleton mechanism is not easy to carry and enhance the application of exoskeleton mechanism in people's daily life, this paper designs an active driving wheel exoskeleton mechanism from the concept of exoskeleton mechanism, which can realize two modes of operation: acceleration and deceleration and normal walking. Its active drive feature eliminates the loss of manpower and can control the speed of the driving speed through the attitude, providing a new design idea for the existing wheel exoskeleton mechanism.

In this paper, the complete structural design of the wheeled exoskeleton mechanism is completed first, and the design is ergonomic; the power calculation and selection of the hub motor and power supply are completed, the strength calculations of the shock absorbing spring and the important connecting parts are performed. The strength check verified the reliability and rationality of the structure. In terms of control, based on STM32F103, this paper analyzes the control principle and gives the hardware schematic. The PWM pulse modulation was used to adjust the speed of the hub motor. At the same time, the control and data analysis of the JY901 attitude angle sensor were basically realized. The attitude was used to adjust the speed of the motor, and the simulation platform was built. Experiments verify the feasibility.

KEY WORDS: Wheeled exoskeleton; Structural design; Hub motor; Attitude control

目 录

摘要 Ⅰ

Abstract Ⅱ

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 外骨骼机构的起源和相关发展 1

1.3 基于轮式外骨骼概念的自平衡车的定义 3

1.4 国内外现状研究 4

1.4.1 总览 4

1.4.2 国内现状 4

1.4.3 国外现状 5

第二章 主动驱动自平衡轮式外骨骼结构设计 8

2.1 本课题的研究目的和主要研究内容 8

2.1.1 设计要求 8

2.2 设计方案比较 8

2.3 总体结构设计方案 9

2.4 轮毂电机选型 11

2.4.1 轮毂电机的特点 11

2.4.2 轮毂电机驱动系统分类 12

2.4.3 电机选型 12

2.5 电源选型 13

2.6 减震弹簧的选择 14

2.7 各部分结构设计方案 15

2.7.1 脚踏板 15

2.7.2 扣紧带固定件 16

2.7.3 轮毂电机固定件 17

2.7.4 箱体 18

2.7.5 辅助轮固定件 19

2.7.6 减震弹簧连杆 21

2.8 强度校核 21

2.8.1轮毂电机固定件螺栓组强度校核 21

2.8.2辅助轮固定件螺栓组强度校核 23

2.8.3减震弹簧上、下连接杆强度校核 24

第三章 主动驱动自平衡轮式外骨骼控制系统设计 27

3.1 总体控制方案设计 27

3.2 硬件设计 28

3.2.1 微控制器选择 28

3.2.2 电源设计 29

3.2.3 姿态控制设计 29

3.2.4 驱动模块设计 32

3.3 软件设计 34

3.3.1 总体功能设计 34

3.3.2 实验模拟 36

第四章 结语 37

参考文献 38

致谢 40

第一章 绪论

1.1引言

外骨骼一词最初来源于动物界，它是指一种能够对生物柔软内部器官进行构型、建筑和保护的坚硬的外部结构。后来，随着人类对不同工作任务的需求和技术的发展，应用外骨骼的概念，研究人员开发出了能够适用于人体的外骨骼机构，以克服严峻的任务条件或辅助人体机能。外骨骼机构可以增强人体行动能力、减轻负重，通常由金属或碳纤维等材料制成，最初旨在帮助患有多发性硬化症、严重关节炎等疾病的群体克服行动困难等问题。目前，外骨骼技术更多地被应用在机器人上。外骨骼机器人是融合传感、控制、信息、移动计算等为一体，为作为操作者的人提供一种可穿戴的机械机构的综合技术。

外骨骼机构种类众多，不同类型的适用功能也不一样。如用于军事用途的外骨骼，附着在人体的手臂、躯体和腿部之外，以提高人体机能和军事作战能力，同时也能对士兵起到保护作用、携带更多兵器；如松下公司的充气式外骨骼，在设计上用于帮助瘫痪患者。通过肘部和腕部的传感器，允许手臂控制8块人造肌肉；又如由美国国防高级研究计划局设计的伯克利·布里克外骨骼，致力于帮助士兵、营救人员、野火消防员以及其他所有应急人员轻松携带各种装备^[1]。此外还有一种被称为轮式外骨骼的机构，通过在机构的脚部安装驱动轮，以实现操作者高速前行和越障等功能，能大幅节省时间、减轻工作量。轮式外骨骼机构的适用范围很广，目前市面上常见的平衡车的设计概念即来源于此。

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