足底驱动步态模拟机构运动学设计与静态性能分析研究

摘要

本文密切结合新型下肢康复训练机器人自主创新需求，在国家自然科学基金的资助下，提出了一种新型下肢康复训练机器人，系统研究了足底驱动步态模拟并联机构的运动学、静刚度半解析建模、全域静态特性快速预估及有限元建模方法等内容。论文工作及成果如下： 针对下肢康复训练的运动需求，提出了一种三自由度足底驱动步态模拟并联机构，简要分析了该机构的组成原理和运动特点；采用矢量链法推导出并联机构的运动学正、逆解解析模型，得到了位置正解解析表达式；基于螺旋理论建立机构的广义雅克比矩阵，并采用遗传算法研究该机构的运动学优化设计问题；基于运动学逆解模型并结合具体算例，提出了考虑气动人工肌肉收缩长度限制的姿态可达空间搜索方法。 借助虚功原理和子结构综合的思想，提出了一种考虑所有驱动支链、约束支链以及转动支架弹性变形的静刚度半解析建模方法；根据各驱动支链、约束支链以及转动支架的机械结构和力流传递关系，实现了界面柔度的精细建模，推导了各构件的等效柔度矩阵表达式；通过静态特性实验，获取了气动人工肌肉的静态特性曲线图，推导了气动人工肌肉静刚度关于气压和收缩率的函数表达式；结合具体算例，运用静刚度半解析建模方法计算了初始位姿状态下末端参考点各向线刚度及动平台角刚度，并得到了机构在姿态任务空间内的静刚度分布图。 借助SAMCEF软件和天津大学开发的机器人静动态特性快速预估系统，提出了一种快速建立并联机构整机有限元模型的有效方法，建立了所提出并联机构各零部件的精细化有限元等效模型，实现了整机模型的静态特性全域快速预估，计算出姿态任务空间内末端参考点各向线刚度和动平台角刚度分布规律，并对比验证了静刚度半解析建模方法的有效性。 本课题所开展的足底驱动步态模拟机构的运动学设计与静态性能分析研究对于改善机构的运动学性能、静态特性具有重要意义。

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