移动机器人非线性支撑设计及稳定性研究

摘要

外骨骼式双足移动机器人能被使用者“穿”在身上，并时刻保持与使用者一致的行走动作，像人体的外骨骼一样代替人体承担外部负载，能够缓解特殊环境下大负重、长距离行走可能引起的疲劳和下肢伤痛等问题，且可以作为那些因为交通、地震灾害等引起的下肢伤残人员的生活辅助。因此，对外骨骼式双足移动机器人的研究将具有广泛的应用前景。本文所指的移动机器人即为外骨骼式双足移动机器人。
　　移动机器人的支撑结构是机器人与地面的唯一接触部位，因此，利用仿人体足部的原理，对移动机器人的支撑进行研究设计显得至关重要。
　　本文首先结合解剖学、人体运动生物力学等相关知识，分析了人体足部骨骼、肌肉、韧带及足弓的组成，研究了足弓的运动特征及人体步态特征。
　　基于人体足部特征的分析结果，结合人体测量学理论，进行了人体足部运动生物力学的实验研究。搭建了足部运动捕捉系统及足力测量系统，通过对相机标定、标记点的捕捉识别，得到行走过程中人体足部关节角度变化、足弓变化等运动学信息，建立人体足部动力学模型，结合人体足部运动学研究结果及足底力信息，得到人体足部的动力学信息。
　　基于人体足部特性及运动生物力学实验结果，进行了仿生非线性支撑的设计。对仿生非线性支撑进行了建模分析，在选择了适当的材料后，确定非线性支撑的尺寸参数，对其进行校核，并完成加工装配。
　　最后，基于设计的非线性支撑，对其运动稳定性性能进行了实验评价。分别利用非线性支撑及普通线性支撑代替人足行走，获得人体在行走过程中的髋关节、膝关节和踝关节的角度等运动学参数及重心的左右摆动位移。将获得的参数与人体正常行走时的参数进行对比分析，发现人体在本文设计的非线性支撑下行走的结果与人体正常行走的结果更相似，表明本文设计的非线性支撑有较好的运动稳定性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 外骨骼式双足移动机器人

1．2．2 移动机器人足部机构

1．2．3 假脚

1．3 本文主要研究内容

第二章 人体足部的构成及其运动特征的研究

2．1 人体足部的构成

2．1．1 足部骨骼、肌肉、韧带

2．1．2 足弓

2．2 人体足部的运动特征

2．2．1 足弓

2．2．2 人体步态及足部运动

2．3 本章小结

第三章 人体足部运动生物力学测量实验

3．1 足部运动捕捉系统

3．1．1 图像采集系统

3．1．2 相机标定系统

3．2 人体足部运动学实验分析

3．2．1 标记点分布

3．2．2 足部运动学分析

3．2．3 足部运动学结果分析

3．2．4 足底接触面时空参数分析

3．3 足力测量系统

3．3．1 测力板及辅助平台

3．3．2 传感器标定

3．3．3 信号采集

3．4 人体足部动力学实验分析

3．4．1 足部动力学分析

3．4．3 足底力时空参数分析

3．4．4 行走过程中ZMP轨迹变化研究

3．5 本章小结

第四章 仿生非线性支撑设计

4．1 总体方案设计

4．2 建模分析

4．3 详细设计

4．3．1 材料选择

4．3．2 尺寸参数确定

4．3．3 校核分析

4．3．4 热处理

4．4 本章小结

第五章 非线性支撑的运动稳定性实验研究

5．1 实验背景

5．2 实验方案

5．3 实验结果

5．3．1 髋关节角度变化

5．3．2 膝关节角度变化

5．3．3 踝关节角度变化

5．3．4 重心摆动位移

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 工作总结

6．2 未来工作展望

致谢

参考文献