攜行式外骨骼運(yùn)動學(xué)與動力學(xué)分析.pdf

1、下肢力量增強(qiáng)型攜行外骨骼系統(tǒng)（下稱外骨骼）是采用仿生設(shè)計(jì)的一種非主動控制穿戴式負(fù)載裝備，理想工作狀態(tài)下運(yùn)動狀態(tài)與人體保持一致，關(guān)節(jié)驅(qū)動指令源自機(jī)載處理器對人體運(yùn)動步態(tài)實(shí)時捕捉、處理后的預(yù)測。外骨骼與人體運(yùn)動相關(guān)性強(qiáng)，對人體常見運(yùn)動步態(tài)的研究是外骨骼機(jī)械結(jié)構(gòu)及控制設(shè)計(jì)的重要基礎(chǔ)。其次，外骨骼的承載特點(diǎn)表明了力學(xué)計(jì)算的必要性，運(yùn)動屬性表明了單純的靜力學(xué)計(jì)算不足以表現(xiàn)其動態(tài)力學(xué)性能。對人體運(yùn)動姿態(tài)的正確預(yù)測及提供可靠的動力補(bǔ)償是外骨骼控制工作

2、的核心內(nèi)容，如何設(shè)置滿足動力補(bǔ)償要求的控制系統(tǒng)參數(shù)將是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(biāo)記點(diǎn)的三維坐標(biāo)變化數(shù)據(jù)，擬合了人體在不同負(fù)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(guān)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(yùn)動步態(tài)的一般規(guī)律，該規(guī)律可用于指導(dǎo)外骨骼的仿生設(shè)計(jì)，如自由度、關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動（移動）變化幅度，并用于外骨骼動力分析的驅(qū)動加載。

3、>　　2.基于對人體運(yùn)動系統(tǒng)組成和運(yùn)動步態(tài)的研究，運(yùn)用達(dá)朗貝爾-拉格朗日力學(xué)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(guān)節(jié)受力，分析系統(tǒng)能耗特點(diǎn)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(guān)節(jié)運(yùn)動步態(tài)曲線加載，求解下肢關(guān)節(jié)受力、補(bǔ)償力矩以及下肢組件所受復(fù)合應(yīng)力時程變化曲線，動態(tài)校核外骨骼強(qiáng)度，該分析可為系統(tǒng)組件選材、尺寸確定及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)外骨骼在ADAMS與Matlab環(huán)境中的聯(lián)合控制仿真。外骨骼運(yùn)動姿態(tài)和關(guān)節(jié)幅度變化多樣，PID控制器可為系統(tǒng)控制保證較強(qiáng)的魯棒性。結(jié)合ADAMS動力學(xué)計(jì)算優(yōu)勢和Matlab控制仿真優(yōu)勢，進(jìn)行聯(lián)合控制仿真有助于方便并有效確定PID控制參數(shù)。
　　本論文選題結(jié)合教育部裝備預(yù)先研究項(xiàng)目和裝備部裝備預(yù)先研究項(xiàng)目，研究真實(shí)步態(tài)加載下外骨骼的力學(xué)性能，五連桿模型與虛擬樣機(jī)仿真分別求得解析