基于人机工程学的携行式外骨骼人机系统研究

摘要

外骨骼技术是一门关于模拟人体骨骼，为人体提供支撑和负重的新兴技术，目前，已成为国内外的研究热点。外骨骼能够有效的提高人体运动能力和承载能力，具有为面向肢体康复训练和面向人体增力助行两方面的应用功能，携行式外骨骼属于后者。外骨骼与人体接触密切，其设计应符合人机工程学原理。本论文以外骨骼系统为研究对象，着重分析系统中的人、机关系，并研究其仿生设计和穿戴舒适性。具体研究工作内容如下:
　　1、应用人体运动学和人体解剖学知识，仿生设计外骨骼机械结构，研究外骨骼下肢自由度、关节运动以及动态稳定性，提出携行式外骨骼仿生设计原则，并在solidworks中建立其三维模型。
　　2、研究了外骨骼下肢运动轨迹规划，利用坐标变换和D-H法则建立外骨骼下肢运动学模型，并在Adams中进行运动学仿真分析，仿真结果验证了系统仿生设计的合理性。
　　3、研究了人体生物学反应及其相关生理信号，描述了携行式外骨骼穿戴舒适性特点，构建基于肌肉疲劳、大脑疲劳和体压分布特征参数的舒适性表达，在此基础上，建立了外骨骼穿戴舒适性优化模型。
　　4、阐述了外骨骼穿戴舒适性研究思路，设计客观实验，进行人体的表面肌电信号、心电信号和体压信号的实验测量，利用嵌入式数据处理系统采集信号和数据，结合Matlab输出外骨骼穿戴舒适性曲线，客观分析人体舒适状况。
　　5、建立携行式外骨骼穿戴舒适性的主观评价指标体系，将可拓理论运用于层次分析，得到更为真实有效的指标权重。同时，结合客观实验进行了模糊综合评价实例分析，综合评价了外骨骼穿戴舒适性。
　　本文基于人机工程学原理，分析了携行式外骨骼系统仿生设计机理，归纳了设计原则，为外骨骼机械结构优化设计提供了具体参考;另外，将客观实验测量和主观综合评价两者结合研究外骨骼穿戴舒适性，形成定性定量的评价方法体系，为研究外骨骼穿戴舒适性、改善系统人机环境提供了重要的理论依据和方法指导。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 携行式外骨骼人机系统研究现状

1．2．1 携行式外骨骼人机系统的概念

1．2．2 国外研究进展

1．2．3 国内研究进展

1．3 本论文研究的主要内容和技术路线

第2章 人机工程学应用理论基础

2．1 人机工程学概述

2．2 人机工程学主要研究内容及方法

2．3 携行式外骨骼中的人机工程学应用概述

2．3．1 人体测量学与携行式外骨骼

2．3．2 人机系统理论与携行式外骨骼

2．3．3 外骨骼应用安全性与伦理性问题

2．4 本章小结

第3章 携行式外骨骼仿生设计机理研究

3．1 引言

3．2 人体运动结构机理分析

3．2．1 人体运动科学

3．2．2 人体上肢运动结构

3．2．3 人体下肢运动结构

3．3 携行式外骨骼仿生结构设计原则

3．4 外骨骼下肢结构分析

3．5 外骨骼运动稳定性分析

3．6 运动轨迹规划

3．7 基于Adams的外骨骼虚拟样机模型及运动学仿真

3．7．1 外骨骼虚拟样机的构建

3．7．2 运动仿真分析

3．8 本章小结

第4章 基于人体生物学反应的携行式外骨骼穿戴舒适性研究

4．1 引言

4．2 人体生物学反应特征

4．2．1 基于生理学反应

4．2．2 基于心理学反应

4．2．3 人体主要生理信号及其检测技术

4．3 携行式外骨骼穿戴舒适性及其描述

4．3．1 舒适性及其特点

4．3．2 基于人体生物学反应的舒适性描述

4．4 外骨骼穿戴舒适性研究思路及优化模型

4．5 外骨骼穿戴舒适性客观实验设计研究

4．5．1 实验平台的构想

4．5．2 嵌入式数据处理系统

4．5．3 实验结果输出

4．6 本章小结

第5章 基于可拓理论的携行式外骨骼穿戴舒适性模糊综合评价

5．1 引言

5．2 携行式外骨骼穿戴舒适性评价指标体系的构建

5．3 可拓层次分析

5．3．1 可拓层次分析

5．3．2 评价指标权重的确定

5．4 携行式外骨骼穿戴舒适性模糊综合评价

5．5 主观综合评价实例分析

5．5．1 评价过程及步骤

5．5．2 结果分析

5．6 本章小结

结论与展望

全文总结

今后研究工作的展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果