新型下肢外骨骼的機構性能設計方法研究.pdf

1、下肢外骨骼技術融合了機器人學、仿生學、控制理論、信息處理、通訊技術等多學科的知識，同時涉及傳感、控制、信息耦合、移動計算等技術，將人的智能與機器人的機械能量結合起來，完成一定的功能和任務。本文分析了國內外下肢外骨骼的發(fā)展歷史、分類以及研究現(xiàn)狀，針對外骨骼的研究難點，結合機構構型設計理論，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型方案和理論方法，主要

2、內容如下：
　?。?）分析總結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構，對外骨骼進行了關節(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節(jié)和踝關節(jié)布置，但是無膝關節(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節(jié)與被動關節(jié)，并基于行走性能對并聯(lián)腿結構進行了設計。
　?。?）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?；?/p>

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)腿機構作了尺寸參數(shù)設計。根據(jù)人體關節(jié)的運動范圍確定了外骨骼下肢的關節(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”驅動器進行選型與驅動布置。
　?。?）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件質量之間的關系，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。
　　（6）建立了人體下肢與外骨骼下