人体下肢动力外骨骼模型的研究

摘要

人体动力外骨骼是涉及机械设计制造、机电一体化、驱动、传感器、自动化控制、人工智能、人机工程学等多学科的综合技术。本课题针对日益加重的人口老龄化问题，采用动力外骨骼技术，提出用于辅助老年人生活的一种服务型机器人—人体下肢动力外骨骼，该装置具有辅助增力功能，能够帮助老年人行走及上下楼梯等工作，也可以帮助残障病人进行康复训练。论文的主要研究内容包括外骨骼的机械结构设计、外骨骼运动学分析、人机耦合动力学联合建模及仿真研究等，具体如下：
　　1)人体下肢生理特性分析
　　通过研究人体下肢的生理结构、空间坐标系下关节的自由度、步态的特征参数和运动参数，确定出人体下肢运动的自由度，根据步态特征把步态周期分为摆动相和支撑相。
　　2)下肢外骨骼结构设计及优化
　　基于外骨骼与人体的耦合特性，设计出了符合人体运动机理的外骨骼机械结构，分别对外骨骼组成系统中的关键零部件运用Workbench进行了拓扑优化和多目标参数优化，并重新设计出相应的模型，并在不同的工况下分别对外骨骼机械结构进行静力学分析检验。
　　3)下肢外骨骼运动学研究
　　分别使用运动学正问题研究方法、位姿变换等理论计算方法和仿真试验方法对下肢外骨骼的运动学问题进行分析和计算，运用D-H运动模型建立了空间坐标下下肢外骨骼的运动学方程，在ADAMS仿真软件环境中对运动学模型进行了仿真计算，并求解出下肢外骨骼各运动学参数与时间的函数关系。
　　4)下肢外骨骼动力学研究
　　用Newton-Euler法分别对单腿支撑和双腿支撑工况给予动力学分析、数学建模和求解，并在ADAMS虚拟样机下初步完成了人机耦合的仿真运行，求得了关节力矩与运动周期的关系曲线。
　　5)动力外骨骼样机试验
　　搭建了动力外骨骼样机的试验平台，制作了相关的零部件并装配，确定出步进电机、驱动器、控制器、信号发生器的型号，运用Visual C++6.0软件编写了步态预判控制的程序并运行程序得出试验结果，发现试验存在的问题，提出了解决的方案。

目录

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外下肢动力外骨骼的发展和研究现状

1．2．1 国外下肢动力外骨骼的发展和研究现状

1．2．2 国内下肢动力外骨骼的发展和研究现状

1．3 论文研究的主要内容、技术路线和关键技术

1．3．1 主要研究内容

1．3．2 技术路线

1．3．3 关键技术

2 人体下肢结构及行走步态研究

2．1 引言

2．2 人体下肢生理结构

2．2．1 髋部及运动功能

2．2．2 膝部及运动功能

2．2．3 踝部及运动功能

2．3 人体下肢主要参数

2．3．1 基于空间坐标系下的人体参数

2．3．2 下肢各关节自由度及活动度

2．4 人体基本步态参数

2．4．1 步态的特征参数

2．4．2 步态的运动参数

2．5 本章小结

3 下肢外骨骼装置运动学分析

3．1 引言

3．2 运动学研究的两类问题

3．2．1 运动学正问题

3．2．2 运动学逆问题

3．3 机器人位姿的描述

3．3．1 点的位姿描述

3．3．2 连杆的位姿描述

3．4 齐次坐标变换矩阵与齐次变换

3．4．1 齐次坐标变换矩阵

3．4．2 齐次变换

3．5 下肢外骨骼机器人运动学方程的建立

3．5．1 相邻连杆之间的齐次变换

3．5．2 下肢外骨骼D-H模型

3．5．3 下肢外骨骼运动学方程

3．6 下肢外骨骼运动学仿真与分析

3．6．1 下肢外骨骼模型的建立

3．6．2 外骨骼行走仿真的设置

3．6．3 步行仿真与分析

3．7 本章小结

4 外骨骼机械结构设计及优化

4．1 外骨骼机械结构设计

4．1．1 液压驱动型外骨骼机械结构设计方案

4．1．2 电机驱动型外骨骼机械结构设计方案

4．1．3 外骨骼机械结构设计方案的确立和详细设计

4．2 基于ANSYS的外骨骼结构分析及优化

4．2．1 髋部支撑结构的分析及优化

4．2．2 大、小腿连杆及铰链关节结构分析及优化

4．3 不同工况下的下肢外骨骼静力学分析

4．3．1 正常站立工况下的静力学分析

4．3．2 单腿支撑工况下的静力学分析

4．3．3 双腿支撑工况下的静力学分析

4．4 本章小结

5 下肢动力外骨骼动力学分析

5．1 引言

5．2 动力学分析常用方法

5．2．1 拉格朗日方法

5．2．2 牛顿-欧拉方法

5．3 下肢动力外骨骼动力学分析

5．3．1 单脚支撑行走模式下牛顿-欧拉数学模型

5．3．2 双脚支撑行走模式下牛顿一欧拉数学模型

5．4 人机耦合动态仿真与分析

5．4．1 人体模型和外骨骼模型的建立

5．4．2 人机耦合行走动力学仿真与分析

5．5 本章小结

6 下肢外骨骼样机的搭建与试验

6．1 基于三自由度的髋部的建立

6．2 关节能量补偿和限位结构的制作

6．3 腿连杆及束紧带的制作

6．4 样机试验平台系统的硬件组成

6．4．1 步进电机及驱动器

6．4．2 控制器和信号发生器

6．4．3 整体试验样机

6．5 样机试验平台软件的组成及程序编写

6．6 试验结果及分析

6．7 本章小结

7 总结及展望

7．1 全文总结

7．2 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间的科研成果

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