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下肢助力外骨骼机构设计与研究
作 者: 蒋靖
导 师: 付宜利
学 校: 哈尔滨工业大学
专 业: 机械工程
关键词: 下肢助力 外骨骼机器人 结构设计 运动学与动力学
分类号: TP242
类 型: 硕士论文
年 份: 2012年
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内容摘要
外骨骼研究已成为国内外机器人技术领域研究的热点。外骨骼机器人能够有效结合人类的智慧和机器人的强壮,让复杂环境下的负重难题不复存在。随着单兵作战装备重量的提高,一款适用于士兵穿戴,能有效提高士兵负重能力,且适用于各种复杂环境的外骨骼机器人具有极大的应用前景。本论文围绕下肢助力外骨骼的机械驱动系统设计、运动学和动力学分析、传感系统设计及仿真和实验等关键问题进行了深入的研究。在对人体下肢运动机理进行仔细分析的基础上,本论文对下肢助力外骨骼的机械驱动系统进行了设计和研究。根据仿生设计的方法,对外骨骼的髋关节、膝关节和踝关节等结构进行了设计,并对髋关节、大腿连杆、小腿连杆等关键零部件进行了有限元力学分析;最后结合关节肌肉运动机理,对外骨骼液压驱动系统方案进行了设计。针对外骨骼机械结构,本论文对下肢助力外骨骼进行了运动学及动力学分析。对外骨骼机械腿进行D-H建模,求解运动学正解,采用微分变换法求雅克比矩阵。然后采用拉格朗日功能平衡法,对外骨骼进行动力学求解。根据外骨骼整体结构和控制策略,本论文对下肢助力外骨骼的传感系统进行了设计。通过分析人体足底压力分布信息,对压力传感器进行了选取和布位,并设计传感鞋,保证采集压力的可靠性和传感器的安全性。选取了合适的关节转动角度传感器,实现对外骨骼进行准确的控制。最后,本论文对下肢助力外骨骼进行了仿真分析及实验研究。仿真分析主要包括关节仿真和行走仿真;实验研究则包括穿戴舒适性试验、关节信息采集实验、步态信息采集实验和外骨骼关节驱动实验等。仿真与实验结果表明,下肢助力外骨骼机械结构设计合理可靠、穿戴舒适,能够满足外骨骼负重和灵活性要求。
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全文目录
摘要 4-5 Abstract 5-9 第1章 绪论 9-18 1.1 课题研究的目的和意义 9-10 1.2 下肢助力外骨骼研究现状 10-17 1.2.1 国外下肢助力外骨骼研究现状 10-16 1.2.2 国内下肢助力外骨骼研究现状 16-17 1.3 课题的主要研究内容 17-18 第2章 下肢助力外骨骼机械驱动系统设计 18-32 2.1 引言 18 2.2 人体下肢运动机理研究 18-21 2.3 拟人结构设计要求 21 2.4 外骨骼机械结构设计 21-26 2.4.1 自由度分配及关节设计 21-23 2.4.2 各自由度运动范围设计 23-24 2.4.3 外骨骼连杆机构设计 24-26 2.5 静力学分析与强度校核 26-28 2.5.1 机构受力分析 26-27 2.5.2 关键零部件强度分析 27-28 2.6 驱动系统设计 28-31 2.6.1 驱动关节设置 28-29 2.6.2 驱动器选择及布置 29-30 2.6.3 液压系统方案设计 30-31 2.7 本章小结 31-32 第3章 下肢助力外骨骼运动学及动力学分析 32-41 3.1 引言 32 3.2 下肢助力外骨骼运动学分析 32-37 3.2.1 外骨骼位置分析 32-35 3.2.2 外骨骼速度分析 35-36 3.2.3 外骨骼加速度分析 36-37 3.3 下肢助力外骨骼动力学分析 37-40 3.4 本章小结 40-41 第4章 下肢助力外骨骼传感系统研究 41-51 4.1 引言 41 4.2 传感系统整体方案 41-42 4.3 足底压力信息采集系统的设计 42-49 4.3.1 人体行走步态分析 42-43 4.3.2 压力传感器的选型与压力鞋的设计 43-45 4.3.3 压力传感器的标定 45-49 4.4 下肢关节位置传感器设计 49 4.5 本章小结 49-51 第5章 下肢助力外骨骼仿真分析与实验研究 51-62 5.1 引言 51 5.2 下肢助力外骨骼仿真分析 51-54 5.2.1 仿真模型的建立 51-52 5.2.2 外骨骼仿真分析 52-54 5.3 下肢助力外骨骼实验研究 54-61 5.3.1 外骨骼穿戴运动及其舒适性实验 54-56 5.3.2 关节信息采集实验 56-57 5.3.3 步态信息采集实验 57-59 5.3.4 外骨骼驱动实验 59-61 5.4 本章小结 61-62 结论 62-63 参考文献 63-68 致谢 68
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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 机器人技术 > 机器人
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