新型下肢外骨骼的機(jī)構(gòu)性能設(shè)計(jì)方法研究

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1、新型下肢外骨骼的機(jī)構(gòu)性能設(shè)計(jì)方法研究 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(lái), 完成一定的功能和任務(wù)。本文分析了國(guó)內(nèi)外下肢 外骨骼的發(fā)展歷史、 分類(lèi)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, 主要內(nèi)容如下 :(1) 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) ,

2、 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(wú)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(lèi) , 并描述了末端運(yùn)動(dòng)特征, 提出了“特征狀態(tài)”的概念。 基于不同的拓?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。 (3) 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

3、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。 (4) 根據(jù)外骨骼下肢的拓?fù)浞诸?lèi), 分別建立了無(wú)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(zhǎng)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(guò)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)。 (6) 建立了人體下肢與 外骨骼下肢的打擊中心模型 , 以減輕下肢受到?jīng)_擊時(shí)對(duì)髖關(guān)節(jié)的影響。 分析了打擊中心位置與構(gòu)件質(zhì)量之間的關(guān)系 , 為設(shè)計(jì)以踝關(guān)節(jié)為打擊中心的 外骨骼提供了依據(jù)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定了外骨骼下肢打擊中心的真實(shí)位置。