攜行式外骨骼運動學與動力學分析.pdf

1、下肢力量增強型攜行外骨骼系統(tǒng)（下稱外骨骼）是采用仿生設計的一種非主動控制穿戴式負載裝備，理想工作狀態(tài)下運動狀態(tài)與人體保持一致，關節(jié)驅動指令源自機載處理器對人體運動步態(tài)實時捕捉、處理后的預測。外骨骼與人體運動相關性強，對人體常見運動步態(tài)的研究是外骨骼機械結構及控制設計的重要基礎。其次，外骨骼的承載特點表明了力學計算的必要性，運動屬性表明了單純的靜力學計算不足以表現其動態(tài)力學性能。對人體運動姿態(tài)的正確預測及提供可靠的動力補償是外骨骼控制工作

2、的核心內容，如何設置滿足動力補償要求的控制系統(tǒng)參數將是控制系統(tǒng)設計的重要工作?；谝陨戏治?，本文主要做了以下工作:
　　1.利用動態(tài)捕捉儀記錄的位于人體不同部位標記點的三維坐標變化數據，擬合了人體在不同負載下以不同速率行走、單膝跪地和雙膝下蹲等不同工況中下肢關節(jié)步態(tài)變化曲線，通過對步態(tài)曲線分析研究得出人體運動步態(tài)的一般規(guī)律，該規(guī)律可用于指導外骨骼的仿生設計，如自由度、關節(jié)轉動（移動）變化幅度，并用于外骨骼動力分析的驅動加載。

3、>　　2.基于對人體運動系統(tǒng)組成和運動步態(tài)的研究，運用達朗貝爾-拉格朗日力學原理和相位空間分解原理建立外骨骼的五連桿行走模型，該模型可估算外骨骼下肢關節(jié)受力，分析系統(tǒng)能耗特點并估算外骨骼行走觸地過程能量損失。
　　3.建立外骨骼剛體動力模型和有限元時程分析模型，使用人體關節(jié)運動步態(tài)曲線加載，求解下肢關節(jié)受力、補償力矩以及下肢組件所受復合應力時程變化曲線，動態(tài)校核外骨骼強度，該分析可為系統(tǒng)組件選材、尺寸確定及結構優(yōu)化設計提供參考。<

4、br>　　4.建立五連桿外骨骼雙膝下蹲控制仿真模型，實現外骨骼在ADAMS與Matlab環(huán)境中的聯(lián)合控制仿真。外骨骼運動姿態(tài)和關節(jié)幅度變化多樣，PID控制器可為系統(tǒng)控制保證較強的魯棒性。結合ADAMS動力學計算優(yōu)勢和Matlab控制仿真優(yōu)勢，進行聯(lián)合控制仿真有助于方便并有效確定PID控制參數。
　　本論文選題結合教育部裝備預先研究項目和裝備部裝備預先研究項目，研究真實步態(tài)加載下外骨骼的力學性能，五連桿模型與虛擬樣機仿真分別求得解析