生物融合式助行外骨骼机构设计与研究

发布时间：2017-10-03 08:35

  本文关键词：生物融合式助行外骨骼机构设计与研究

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【摘要】：随着人们生活水平的提高及医疗技术的发展，，老年人口的数量越来越多，这给社会和家庭带来了一定的压力，所以对于如何提高老年人自主生活的能力显得非常重要。外骨骼技术作为一种新型的辅助人体运动的机器人技术，已广泛应用于助老助行等领域，以此来提高人体下肢运动的能力。本文在分析人体步态的基础上，研究辅助老年人行走的外骨骼，包括对其机械结构的设计、人机混合机构的运动学及动力学分析等。 首先在对老年人下肢运动机理研究的基础上，对老年人的步态进行分析，通过对老年人行走视频进行分析，获得行走过程中人体下肢各关节的运动轨迹，通过曲线拟合得到下肢各关节的运动规律。在此基础上，提出助行外骨骼的设计要求并对下肢助行外骨骼的结构进行设计。 在人体步态分析的基础上，建立人体行走的运动学模型，并采用D-H参数法对其运动学进行分析，得到各杆件的运动，利用牛顿-欧拉法对其动力学进行分析，得到人体行走时各个关节的驱动力，并结合数值实例对理论模型进行分析计算。随后建立人机混合机构的运动学模型，并对其反解进行分析，利用影响系数法得到各关节的速度加速度。 最后在运动学分析的基础上，对人机混合机构的静力学进行分析，建立机构的静力平衡方程，利用影响系数法分析冗余驱动分支驱动力对RRR分支驱动力的影响，并对冗余驱动的驱动力进行优化，通过数值算例，将冗余驱动与非冗余驱动下RRR分支的驱动力及关节处的作用力进行比较分析。利用虚功原理建立该冗余机构的动力学模型，并对优化冗余驱动力后机构的动力学进行分析，得到优化后各个驱动关节的驱动力及关节处的作用力。利用ADAMS软件建立虚拟样机，对其运动学及动力学进行仿真分析。
【关键词】：下肢运动 外骨骼 人机闭环 运动学 动力学
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TH112
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-21
• 1.1 引言11
• 1.2 国内外相关技术及研究现状11-18
• 1.2.1 国外发展现状12-15
• 1.2.2 国内发展现状15-18
• 1.2.3 生物融合机构的介绍18
• 1.3 研究现状分析18-19
• 1.4 课题的来源及研究意义19
• 1.5 本文的主要研究内容19-21
• 第2章 外骨骼助行机器人总体结构设计21-32
• 2.1 引言21
• 2.2 老年人下肢结构分析21-25
• 2.2.1 老年人下肢解剖学研究21-24
• 2.2.2 老年人步态分析24-25
• 2.3 老年人行走时运动参数的获取25-28
• 2.4 助行机器人的设计要求28
• 2.5 助行机器人总体结构设计28-31
• 2.5.1 机构自由度的配置28-29
• 2.5.2 驱动形式的选择29-30
• 2.5.3 总体结构设计30-31
• 2.6 本章小结31-32
• 第3章 人体下肢运动分析32-48
• 3.1 引言32
• 3.2 人体运动学模型的建立32-35
• 3.2.1 人体下肢机构学模型的建立32-34
• 3.2.2 人体行走时下肢运动学模型的建立34-35
• 3.3 人体行走时下肢运动学分析35-42
• 3.3.1 人体机构的位置分析35-39
• 3.3.2 人体机构的速度加速度分析39-40
• 3.3.3 数值算例分析40-42
• 3.4 人体行走时下肢动力学分析42-47
• 3.4.1 典型动力学建模方法的比较42-43
• 3.4.2 人体行走时动力学分析43-47
• 3.5 本章小结47-48
• 第4章 人机闭环机构的运动学分析48-57
• 4.1 引言48
• 4.2 人机闭环机构模型的建立48-51
• 4.2.1 人机闭环机构的描述48-49
• 4.2.2 位置反解分析49-51
• 4.2.3 数值算例分析51
• 4.3 速度及加速度分析51-56
• 4.3.1 速度分析51-53
• 4.3.2 加速度分析53-55
• 4.3.3 数值算例分析55-56
• 4.4 本章小结56-57
• 第5章 人机闭环机构的力学分析57-76
• 5.1 引言57
• 5.2 静力学分析57-66
• 5.2.1 基于驱动力的优化57-62
• 5.2.2 驱动力优化的结果62-63
• 5.2.3 基于关节作用力的优化63-65
• 5.2.4 关节作用力优化的结果65-66
• 5.3 动力学分析66-74
• 5.3.1 各连杆惯性力和惯性力矩的计算66-69
• 5.3.2 动力学方程的建立69-71
• 5.3.3 数值算例分析71-74
• 5.4 本章小结74-76
• 第6章 人机闭环机构的仿真分析76-84
• 6.1 引言76
• 6.2 仿真模型的建立76
• 6.3 各连杆质心点速度及加速度分析76-81
• 6.4 动力学仿真81-83
• 6.5 本章小结83-84
• 结论84-85
• 参考文献85-88
• 攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果88-89
• 致谢89-90
• 作者简介90

【参考文献】

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本文编号：964239