新型下肢外骨骼的機構(gòu)性能設計方法研究.pdf

1、下肢外骨骼技術(shù)融合了機器人學、仿生學、控制理論、信息處理、通訊技術(shù)等多學科的知識，同時涉及傳感、控制、信息耦合、移動計算等技術(shù)，將人的智能與機器人的機械能量結(jié)合起來，完成一定的功能和任務。本文分析了國內(nèi)外下肢外骨骼的發(fā)展歷史、分類以及研究現(xiàn)狀，針對外骨骼的研究難點，結(jié)合機構(gòu)構(gòu)型設計理論，提出了一種新型混聯(lián)增力式下肢外骨骼，并對外骨骼的機構(gòu)性能進行了詳細設計。本文的研究成果為下肢外骨骼的機械設計與性能研究提供了新的構(gòu)型方案和理論方法，主要

2、內(nèi)容如下：
　?。?）分析總結(jié)了增力式下肢外骨骼的機械設計指標，提出了新型混聯(lián)式下肢外骨骼，并基于人體下肢的生理學結(jié)構(gòu)，對外骨骼進行了關(guān)節(jié)布置與自由度分配。外骨骼采用擬人腿的設計，具有與人腿相似的髖關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)布置，但是無膝關(guān)節(jié)。根據(jù)人體步行的動力學分析，確定了外骨骼下肢的主動關(guān)節(jié)與被動關(guān)節(jié)，并基于行走性能對并聯(lián)腿結(jié)構(gòu)進行了設計。
　?。?）對外骨骼下肢的拓撲狀態(tài)進行了分類，并描述了末端運動特征，提出了“特征狀態(tài)”的概念。基

3、于不同的拓撲狀態(tài)，建立了外骨骼下肢的數(shù)學模型、左右腿關(guān)節(jié)的空間位置模型、速度模型與承載力模型。
　?。?）基于外骨骼下肢的運動學模型，分析了外骨骼的尺寸對運動跟隨性能、承載性能的影響，對平行四邊形并聯(lián)腿與箏形并聯(lián)腿機構(gòu)作了尺寸參數(shù)設計。根據(jù)人體關(guān)節(jié)的運動范圍確定了外骨骼下肢的關(guān)節(jié)運動范圍，并進一步確定了外骨骼下肢的工作空間。
　?。?）根據(jù)外骨骼下肢的拓撲分類，分別建立了無支撐、單腿支撐、雙腿支撐的外骨骼動力學模型。引入儲能

4、彈簧以降低并聯(lián)腿驅(qū)動力矩的峰值，并提出了儲能彈簧的選型原則，分析了彈簧原長與彈簧常數(shù)對外骨骼承載性能的影響。對“Hy-Mo”驅(qū)動器進行選型與驅(qū)動布置。
　?。?）建立了人體下肢步行運動的諧振擺模型，推算出人體步行的最適步頻。建立了外骨骼下肢的諧振擺模型，分析了外骨骼的固有擺動周期與下肢各構(gòu)件質(zhì)量之間的關(guān)系，為設計特定擺動周期的外骨骼提供了依據(jù)。通過實驗實現(xiàn)了與外骨骼下肢固有周期匹配的擺動。
　?。?）建立了人體下肢與外骨骼下