携行式外骨骼运动学与动力学分析

摘要

下肢力量增强型携行外骨骼系统（下称外骨骼）是采用仿生设计的一种非主动控制穿戴式负载装备，理想工作状态下运动状态与人体保持一致，关节驱动指令源自机载处理器对人体运动步态实时捕捉、处理后的预测。外骨骼与人体运动相关性强，对人体常见运动步态的研究是外骨骼机械结构及控制设计的重要基础。其次，外骨骼的承载特点表明了力学计算的必要性，运动属性表明了单纯的静力学计算不足以表现其动态力学性能。对人体运动姿态的正确预测及提供可靠的动力补偿是外骨骼控制工作的核心内容，如何设置满足动力补偿要求的控制系统参数将是控制系统设计的重要工作。基于以上分析，本文主要做了以下工作:
　　1.利用动态捕捉仪记录的位于人体不同部位标记点的三维坐标变化数据，拟合了人体在不同负载下以不同速率行走、单膝跪地和双膝下蹲等不同工况中下肢关节步态变化曲线，通过对步态曲线分析研究得出人体运动步态的一般规律，该规律可用于指导外骨骼的仿生设计，如自由度、关节转动（移动）变化幅度，并用于外骨骼动力分析的驱动加载。
　　2.基于对人体运动系统组成和运动步态的研究，运用达朗贝尔-拉格朗日力学原理和相位空间分解原理建立外骨骼的五连杆行走模型，该模型可估算外骨骼下肢关节受力，分析系统能耗特点并估算外骨骼行走触地过程能量损失。
　　3.建立外骨骼刚体动力模型和有限元时程分析模型，使用人体关节运动步态曲线加载，求解下肢关节受力、补偿力矩以及下肢组件所受复合应力时程变化曲线，动态校核外骨骼强度，该分析可为系统组件选材、尺寸确定及结构优化设计提供参考。
　　4.建立五连杆外骨骼双膝下蹲控制仿真模型，实现外骨骼在ADAMS与Matlab环境中的联合控制仿真。外骨骼运动姿态和关节幅度变化多样，PID控制器可为系统控制保证较强的鲁棒性。结合ADAMS动力学计算优势和Matlab控制仿真优势，进行联合控制仿真有助于方便并有效确定PID控制参数。
　　本论文选题结合教育部装备预先研究项目和装备部装备预先研究项目，研究真实步态加载下外骨骼的力学性能，五连杆模型与虚拟样机仿真分别求得解析解和数值解，为外骨骼组件的选材、尺寸确定及优化设计提供了依据和参考。系统的控制仿真也使外骨骼控制器参数的选择成为可能。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 携行外骨骼系统简介

1．1．1 外骨骼的功能

1．1．2 外骨骼结构仿生设计

1．2 外骨骼技术发展现状

1．2．1 下肢外骨骼动力学研究

1．2．2 下肢外骨骼控制策略研究

1．2．3 下肢外骨骼人机耦合研究

1．3 本课题研究的意义和内容

第2章 高负载下人体步态分析

2．1 人体及外骨骼下肢运动系统

2．2 人体负载行走研究简述

2．3 步态测定实验设计

2．4 步态测试结果分析及讨论

2．5 本章小结

第3章 五连杆外骨骼系统能量补偿

3．1 外骨骼力学计算与达朗贝尔原理

3．2 外骨骼系统多体模型及求解方法

3．2．1 多体行走模型

3．2．2 基于位移激励的拉格朗日方程

3．2．3 广义自由度相位空间分解

3．3 行走工况计算结果与分析

3．3．1 行走支撑相过程

3．3．2 脚跟触地能量损失

3．4 本章小结

第4章 外骨骼系统刚体动力学仿真计算

4．1 多体系统动力学及ANSYS Workbench

4．2 外骨骼系统动力学仿真模型

4．2．1 仿真模型几何特征

4．2．2 仿真模型加载及求解

4．3 整机仿真工况

4．3．1 静止站立工况

4．3．2 行走工况

4．3．3 单膝下跪及起立仿真工况

4．3．4 双腿下蹲仿真工况及外骨骼竖向传力分析

4．4 本章小结

第5章 外骨骼系统有限元时程分析

5．1 有限元计算方法

5．1．1 力学计算方法介绍

5．1．2 有限元计算步骤

5．2 有限元时程分析模型

5．2．1 有限元时程分析及模型

5．2．2 有限元模型收敛及处理

5．3 有限元时程分析工况

5．3．1 双腿站立和单腿站立

5．3．1 行走工况

5．3．2 单膝下跪与双膝下蹲工况

5．4 本章小结

第6章 外骨骼系统控制建模及仿真

6．1 外骨骼PID控制

6．2 外骨骼控制系统建模与仿真

6．2．1 外骨骼双腿下蹲动力学建模

6．2．2 外骨骼双腿下蹲PID控制仿真

6．3 外骨骼双腿下蹲Adams与Matlab联合控制仿真

6．4 本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间发表的论文及科研成果