7-DOF下肢外骨骼机器人机构的设计与研究

摘要

下肢外骨骼机器人是一种可穿戴、交互式仿生机器人，由机械系统、动力系统、驱动系统、传感系统和信息分析处理系统等多个部分组合而成，具有结构精细、响应速度快和性能稳定等特点，适用对象有下肢瘫痪病人、老年人和军人等。通过下肢外骨骼机器人辅助瘫痪病人定期进行腿部各关节的伸展/弯曲，可促进病人腿部的血液循环，避免肌肉组织萎缩，增加病人腿部的康复几率。老年人由于肌纤维萎缩，肌力衰退，上下楼梯缓慢、费力，而在下肢外骨骼机器人的辅助下就可轻松、迅速地上下楼梯和行走。随着科学技术的发展，现在士兵要负载更多的单兵装备，这直接降低士兵的行军速度和减少行军距离，而通过下肢外骨骼机器人分担一部分装备的重量，就可提高士兵的灵活性和持久力，进而提升部队的机动性。随着中国逐步进入老龄化社会，研制下肢外骨骼机器人一方面可替代护理人员，满足社会需求，缓解劳动力不足的压力;另一方面可提升士兵的作战能力，进而增强国防能力，稳定国家地位。
　　本文主要介绍下肢外骨骼机器人的基本连杆机构设计，主要分为机构的功能设计与分析、模型建立与仿真及其工程图纸绘制三部分。机构的功能设计与分析包括连杆机构设计、机构处于不同位姿时各关节空间坐标的计算以及类球铰链运动方程计算三个部分。运用ADAMS软件建模仿真，验证理论计算的正确性。工程图纸的绘制是基于验证过的机构简图，从满足人体各关节运动需求和具有调节功能以适合一定体型范围内的人穿戴两个方面进行结构设计，绘制出机构的装配图和所有零件图。
　　设计出来的下肢外骨骼机器人机构高度范围为1051mm～1251mm，宽度最大为654mm，脚掌长度为385mm。除了踝关节的背屈/跖屈方向的转动外，可满足人体下肢各个关节不同方向的转动要求。整个机构的重量约为(7.214±1)kg。其适合对象为:髋关节到地面的距离在851mm～1051mm范围内，臀宽不超过375mm，体重不超过80kg的人。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章、绪论

1．1 人类外骨骼定义与研究意义

1．2 人类外骨骼的分类

1．2．1 无辅助能源型人类外骨骼

1．2．2 有辅助能源型人类外骨骼

1．3 下肢外骨骼机器人国内外研究现状

1．4 面临的难题与本文所做的工作

第二章、下肢外骨骼机器人的基本连杆机构设计

2．1 人体下肢骨骼结构分析

2．2 下肢外骨骼机器人的基本结构设计

2．3 下肢外骨骼机器人位置参数计算

2．3．1 点绕轴转动的坐标换算公式

2．3．2 两轴间距离计算公式

2．3．3 下肢外骨骼机器人的位置参数分析(左腿部分)

2．4 下肢外骨骼机器人的基本运动规律分析

2．4．1 下肢外骨骼机器人髋关节部分绕轴转动规律分析

2．4．2 MATLAB模拟仿真

第三章、ADAMS软件建模仿真

3．1 ADAMS软件简介

3．2 类球铰链机构的运动仿真

3．2．1 建立类球铰链三维模型

3．2．2 建立约束

3．2．3 建立驱动

3．2．4 运行仿真

3．3 下肢外骨骼机器人踝关节部分建模仿真

3．3．1 建立人体下肢和外骨骼机器人的机构模型

3．3．2 添加约束

3．3．3 添加驱动

3．3．4 设置参数分析

第四章、下肢外骨骼机器人结构设计

4．1 人体下肢各关节的运动范围

4．2 机架部分结构设计与受力校核

4．3 髋关节部分结构设计和受力校核

4．4 膝关节和踝关节部分结构设计和受力校核

第五章、总结

5．1 总结

参考文献

攻读硕士学位期间取得的科研成果

致谢