基于绳—滑轮机构的欠驱动下肢外骨骼研究

发布时间：2023-04-26 03:05

　　外骨骼是一种动力辅助装置,在军事和民用领域有广泛的应用。下肢外骨骼旨在降低人体运动时的代谢消耗,肌肉出力或增加行走速度。对于传统的全驱动外骨骼,虽然它允许穿戴者携带重物,但本身质量和消耗能量较大。对于被动式外骨骼,通过在关节处增加弹性储能元件进行能量周期储存,可以提高能量利用率。但是,由于其缺少主动驱动单元,无法为爬楼梯和负重步行提供主动助力。对于传统的欠驱动外骨骼,通常只有单个关节为主动驱动,以减少驱动单元的数量,这限制了外骨骼的辅助性能。鲍登线驱动的柔性外骨骼能够减少了对穿着者运动的干涉,但提供的助力有限。为了实现驱动单元个数少和良好的助力性能,本文提出了一种基于绳-滑轮机构欠驱动原理的下肢外骨骼。首先,通过ADAMS和Life MOD平台建立人体精确的生物力学模型来研究人体下肢复杂的运动,以获取人体下肢的运动学特性。基于这些运动信息,对欠驱动下肢外骨骼进行整体结构设计,使其与人体自由度,运动相兼容。对关键部件进行了有限元分析,以验证其强度。然后分析了欠驱动机构的运动原理,推导出了钢丝绳运动与关节运动之间的数学关系。其次,对欠驱动下肢外骨骼进行运动学和动力学分析。推导出了运动学方程...

【文章页数】：89 页

【学位级别】：硕士

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摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
    1.1 课题背景及意义
    1.2 研究现状
        1.2.1 国外研究现状
        1.2.2 国内研究现状
        1.2.3 研究现状分析
    1.3 课题主要研究内容
第2章 欠驱动下肢外骨骼结构设计
    2.1 引言
    2.2 人体下肢运动特性研究
        2.2.1 人体的基本面及基本轴
        2.2.2 人体生物力学模型建立
        2.2.3 人体水平行走步态仿真
    2.3 下肢外骨骼机械结构设计
        2.3.1 钢丝绳-滑轮机构欠驱动原理分析
        2.3.2 下肢外骨骼机器人结构设计
    2.4 本章小结
第3章 下肢外骨骼运动学及动力学分析
    3.1 引言
    3.2 运动学分析
    3.3 动力学分析
        3.3.1 单足支撑相动力学模型
        3.3.2 双足支撑(双足贴合地面)动力学模型
        3.3.3 双足支撑(单足贴合地面)动力学模型
    3.4 本章小结
第4章 基于时间窗口的外骨骼关节协同助力控制研究
    4.1 引言
    4.2 髋关节和膝关节协同助力时间窗口的计算方法
    4.3 基于动力学模型的关节力轨迹生成
        4.3.1 单腿支撑相动力学计算
        4.3.2 双腿支撑相动力学计算
        4.3.3 关节力轨迹计算
    4.4 基于力反馈的闭环控制方案
        4.4.1 外骨骼直接力控制
        4.4.2 外骨骼间接力控制
    4.5 人体-欠驱动下肢外骨骼系统联合仿真
        4.5.1 人体生物力学仿真方法设计
        4.5.2 人-下肢外骨骼连接方法设计
        4.5.3 无下肢外骨骼助力下的人体行走仿真
        4.5.4 有下肢外骨骼助力下的人体行走仿真
        4.5.5 仿真结果分析
    4.6 本章小结
第5章 欠驱动下肢外骨骼实验研究
    5.1 引言
    5.2 控制系统及传感系统集成
        5.2.1 控制系统和传感系统整体框架
        5.2.2 控制和传感单元
    5.3 下肢外骨骼穿戴行走实验
        5.3.1 行走速度4km/h时的实验
        5.3.2 行走速度5km/h时的实验
        5.3.3 行走速度6km/h时的实验
        5.3.4 实验数据分析
    5.4 环境适应性实验
    5.5 本章小结
结论
参考文献
攻读学位期间发表的学术论文及其它成果
致谢



本文编号：3801611