下肢外骨骼并聯(lián)關(guān)節(jié)研究.pdf

1、外骨骼機器人(Exoskeleton Robot)是一種可穿戴機器人，它可用來增強人的能力、實現(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，各國科研人員對外骨骼機器人進(jìn)行了廣泛研究，以期能在增強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動，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)三個部分。
　　

2、 本文以設(shè)計下肢外骨骼并聯(lián)式關(guān)節(jié)為研究目的。通過對人體下肢各關(guān)節(jié)運動特點進(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。
　　 本文第一部分對外骨骼髖關(guān)節(jié)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計。以人體解剖學(xué)為基礎(chǔ)，結(jié)合人體關(guān)節(jié)的運動特點，提出采用空間三轉(zhuǎn)動自由度并聯(lián)機構(gòu)作為外骨骼髖關(guān)節(jié)的實現(xiàn)機構(gòu)。通過分析比較多種并聯(lián)機構(gòu)的優(yōu)缺點，選定采用純轉(zhuǎn)動型3-UPU并聯(lián)機構(gòu)作為外骨骼髖關(guān)節(jié)機構(gòu)。在運動分析和奇異性分析

3、的基礎(chǔ)之上，從實際應(yīng)用的角度出發(fā)，以機構(gòu)的工作空間、運動學(xué)性能為考察對象，進(jìn)行髖關(guān)節(jié)機構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計。所設(shè)計的外骨骼髖關(guān)節(jié)機構(gòu)能夠滿足日常行走的需要，保證工作空間內(nèi)無奇異點出現(xiàn)，以提高設(shè)備的舒適性和安全性。
　　 本文第二部分對外骨骼膝關(guān)節(jié)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計。根據(jù)人體膝關(guān)節(jié)平面運動的特點，提出采用平面并聯(lián)機構(gòu)作為外骨骼膝關(guān)節(jié)的實現(xiàn)機構(gòu)。通過對兩種平面并聯(lián)機構(gòu)進(jìn)行分析比較發(fā)現(xiàn)，平面二自由度并聯(lián)機構(gòu)是一種較為理想的選擇，并對其模擬膝

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