新型下肢外骨骼的機(jī)構(gòu)性能設(shè)計(jì)方法研究.pdf

1、下肢外骨骼技術(shù)融合了機(jī)器人學(xué)、仿生學(xué)、控制理論、信息處理、通訊技術(shù)等多學(xué)科的知識(shí)，同時(shí)涉及傳感、控制、信息耦合、移動(dòng)計(jì)算等技術(shù)，將人的智能與機(jī)器人的機(jī)械能量結(jié)合起來，完成一定的功能和任務(wù)。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(duì)外骨骼的研究難點(diǎn)，結(jié)合機(jī)構(gòu)構(gòu)型設(shè)計(jì)理論，提出了一種新型混聯(lián)增力式下肢外骨骼，并對(duì)外骨骼的機(jī)構(gòu)性能進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)。本文的研究成果為下肢外骨骼的機(jī)械設(shè)計(jì)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(jī)械設(shè)計(jì)指標(biāo)，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(xué)結(jié)構(gòu)，對(duì)外骨骼進(jìn)行了關(guān)節(jié)布置與自由度分配。外骨骼采用擬人腿的設(shè)計(jì)，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(dòng)力學(xué)分析，確定了外骨骼下肢的主動(dòng)關(guān)節(jié)與被動(dòng)關(guān)節(jié)，并基于行走性能對(duì)并聯(lián)腿結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。
　　（2）對(duì)外骨骼下肢的拓?fù)錉顟B(tài)進(jìn)行了分類，并描述了末端運(yùn)動(dòng)特征，提出了“特征狀態(tài)”的概念?；?/p>

3、于不同的拓?fù)錉顟B(tài)，建立了外骨骼下肢的數(shù)學(xué)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(yùn)動(dòng)學(xué)模型，分析了外骨骼的尺寸對(duì)運(yùn)動(dòng)跟隨性能、承載性能的影響，對(duì)平行四邊形并聯(lián)腿與箏形并聯(lián)腿機(jī)構(gòu)作了尺寸參數(shù)設(shè)計(jì)。根據(jù)人體關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)范圍確定了外骨骼下肢的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)范圍，并進(jìn)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?fù)浞诸悾謩e建立了無支撐、單腿支撐、雙腿支撐的外骨骼動(dòng)力學(xué)模型。引入儲(chǔ)能

4、彈簧以降低并聯(lián)腿驅(qū)動(dòng)力矩的峰值，并提出了儲(chǔ)能彈簧的選型原則，分析了彈簧原長與彈簧常數(shù)對(duì)外骨骼承載性能的影響。對(duì)“Hy-Mo”驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行選型與驅(qū)動(dòng)布置。
　　（5）建立了人體下肢步行運(yùn)動(dòng)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(dòng)周期與下肢各構(gòu)件質(zhì)量之間的關(guān)系，為設(shè)計(jì)特定擺動(dòng)周期的外骨骼提供了依據(jù)。通過實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了與外骨骼下肢固有周期匹配的擺動(dòng)。
　?。?）建立了人體下肢與外骨骼下