髖關節(jié)助力外骨骼的設計與研究.pdf

1、許多人需要在日常工作和生活中進行長時間或遠距離的行走運動，如護士、城市環(huán)衛(wèi)工人、遠足愛好者以及士兵等，長時間、長距離的行走經常會導致身體不適以及肌肉疲勞等癥狀，影響他們的工作效率與生活質量，長期性的肌肉疲勞更是引起肌肉組織損傷的最主要原因，而且肌肉組織損傷對人體運動機能的損害是無法挽回的。目前，我國對于治療肌肉組織損傷的臨床研究還比較少，雖然治療肌肉組織損傷的方法頗多，但治療效果均不理想。因此，為了對人體進行更好的保護，提高他們的工作效

2、率及生活質量，研究一種便于穿戴、能夠輔助人體下肢進行正常行走運動的裝置十分必要。
　　運動輔助功能是外骨骼技術的重要應用領域之一，外骨骼具有對人體運動過程快速跟隨的能力，在不改變人體運動狀態(tài)的情況下給人體提供輔助力，具有環(huán)境適應性好、助力充分的優(yōu)點，用外骨骼輔助人體行走將會極大的提升人體的運動機能。歐美及日本等發(fā)達國家一直在外骨骼機器人技術的研究領域有著巨大的投入，并取得了一系列成果。而我國對外骨骼技術的研究起步較晚，技術相對落后

3、，且多集中于康復用外骨骼領域。因此，本課題將開發(fā)一套結構簡單、控制方便的髖關節(jié)助力外骨骼系統(tǒng)。
　　本文深入分析了外骨骼國內外的發(fā)展現(xiàn)狀，討論了各類外骨骼的特點。本設計根據(jù)實際需要選擇了合適的外骨骼自由度個數(shù)，并根據(jù)人體運動生物力學設計了外骨骼半被動式驅動系統(tǒng)。完成了髖關節(jié)助力外骨骼機械結構設計，主要包括外骨骼自由度個數(shù)的選擇與布置、外骨骼與人體連接部設計。依據(jù)對髖關節(jié)的人體運動生物力學的分析，外骨骼驅動機構被設計為一半被動式驅動

4、機構。在完成外骨骼機構設計的基礎上，通過ADAMS對外骨骼的驅動機構進行了運動過程仿真，驗證被動式驅動系統(tǒng)的效果。
　　根據(jù)所設計的半被動式驅動系統(tǒng)的特點，設計了一種分階段控制的控制方法，在后支撐相、前擺動相和過渡相采用SAC控制法，實現(xiàn)外骨骼對人體的跟隨，僅依靠被動式驅動機構提供輔助力。在前支撐相和后擺動相采用輸出力矩控制法，使外骨骼驅動電機輸出合適的力矩，對人體提供輔助力矩。本設計選用TMS320F2812作為外骨骼控制系統(tǒng)的