下肢外骨骼并聯(lián)關(guān)節(jié)研究.pdf

1、外骨骼機(jī)器人(Exoskeleton Robot)是一種可穿戴機(jī)器人，它可用來(lái)增強(qiáng)人的能力、實(shí)現(xiàn)癱瘓病人的康復(fù)訓(xùn)練以及輔助人進(jìn)行各種操作等。近年來(lái)，各國(guó)科研人員對(duì)外骨骼機(jī)器人進(jìn)行了廣泛研究，以期能在增強(qiáng)人的能力和耐久力以及癱瘓病人的康復(fù)訓(xùn)練等方面得到應(yīng)用。下肢外骨骼是外骨骼機(jī)器人的重要組成部分，它或替代人體下肢的功能，或輔助人體進(jìn)行下肢的康復(fù)訓(xùn)練。為了正確模擬人體下肢的運(yùn)動(dòng)，下肢外骨骼必須具有髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)三個(gè)部分。
　　

2、 本文以設(shè)計(jì)下肢外骨骼并聯(lián)式關(guān)節(jié)為研究目的。通過(guò)對(duì)人體下肢各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)進(jìn)行分析，指出現(xiàn)有下肢外骨骼的不足，并在此基礎(chǔ)之上提出并聯(lián)式外骨骼髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)。
　　 本文第一部分對(duì)外骨骼髖關(guān)節(jié)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。以人體解剖學(xué)為基礎(chǔ)，結(jié)合人體關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，提出采用空間三轉(zhuǎn)動(dòng)自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)作為外骨骼髖關(guān)節(jié)的實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)。通過(guò)分析比較多種并聯(lián)機(jī)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，選定采用純轉(zhuǎn)動(dòng)型3-UPU并聯(lián)機(jī)構(gòu)作為外骨骼髖關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)。在運(yùn)動(dòng)分析和奇異性分析

3、的基礎(chǔ)之上，從實(shí)際應(yīng)用的角度出發(fā)，以機(jī)構(gòu)的工作空間、運(yùn)動(dòng)學(xué)性能為考察對(duì)象，進(jìn)行髖關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。所設(shè)計(jì)的外骨骼髖關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)能夠滿足日常行走的需要，保證工作空間內(nèi)無(wú)奇異點(diǎn)出現(xiàn)，以提高設(shè)備的舒適性和安全性。
　　 本文第二部分對(duì)外骨骼膝關(guān)節(jié)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。根據(jù)人體膝關(guān)節(jié)平面運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，提出采用平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)作為外骨骼膝關(guān)節(jié)的實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)。通過(guò)對(duì)兩種平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析比較發(fā)現(xiàn)，平面二自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)是一種較為理想的選擇，并對(duì)其模擬膝

4、關(guān)節(jié)的實(shí)施方案進(jìn)行了說(shuō)明。基于平面二自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的外骨骼膝關(guān)節(jié)除了能代替人體肌肉群對(duì)膝關(guān)節(jié)進(jìn)行牽引外，還能實(shí)現(xiàn)尺寸自動(dòng)可調(diào)，因而能夠在一定范圍內(nèi)滿足具有不同關(guān)節(jié)尺寸的個(gè)體的需要。為了能夠設(shè)計(jì)出滿足人體需要的外骨骼膝關(guān)節(jié)，在對(duì)該機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的基礎(chǔ)上，以工作空間和運(yùn)動(dòng)學(xué)性能為目標(biāo)進(jìn)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。
　　 本文第三部分對(duì)外骨骼踝關(guān)節(jié)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。根據(jù)人體踝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，提出采用3-SPS/S型空間三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)作為