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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。

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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