自适应人体膝关节运动的外骨骼平面柔顺机构的设计
发布时间：2021-01-02 22:45
目前在外骨骼机器人的使用中,普遍存在外骨骼和人体之间因运动不一致而导致使用者不适的现象,甚至存在安全风险。为了解决这一问题,提高外骨骼机器人和人体交互过程的安全性和柔顺性,本文提出了将柔顺和欠驱动设计运用到外骨骼机构的方法,针对下肢外骨骼膝关节运动与人体运动不一致的问题,提出在外骨骼关节处使用一种平面柔顺五杆机构。通过采用并联机构刚度映射和虚功原理结合的方式,分析该机构的刚度分布问题,根据实际的使用条件设计目标刚度,运用遗传算法对结构尺寸进行优化。通过SimMechanics仿真和样机实验验证对外骨骼的自适应能力进行了评估和分析。本文的主要内容如下:首先,本文提出的平面柔顺五杆机构,其末端位置输出端在矢状面内提供两个自由度,安装在各个关节处的弹性元件具有以下潜力:根据人体和外骨骼之间出现的相互作用力产生相应变形,自动调节外骨骼膝关节处的运动形式,令机构的位置输出端相对于基座的运动符合人体膝关节的活动变化,促使外骨骼和使用者的肢体更加贴合,进而消除人机之间运动不一致的问题。其次,本文运用并联机构刚度映射理论,将该机构分解为两条支链进行运动学分析,及运用虚功原理建立机构的刚度模型。根据对使...
【文章来源】：天津大学天津市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：74 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
人与外骨骼机器人之间的运动不一致Figure1-1Motionmisalignmentbetweenhumanlimbandexoskeleton
第一章绪论4调整位置；矫形器的大腿和小腿杆件由相互推挤的矩形管组成，长度（参数4和5）也可以改变，它们可以通过螺栓固定在不同的位置；最后，腿部绑带的位置（参数6和7）和大小（参数8）也可以调节，由于绑带固定在腿矫形器的直角管上，而直角管可以在下肢矫形器的杆件上前后移动并绑定在正确的位置，也可以适应不同的使用条件。(a)驱动式步态矫形器的模型(b)驱动式步态矫形器在辅助训练中的使用图1-2驱动式步态矫形器Figure1-2ActuatedgaitorthoticsGeryColombo提出的驱动式步态矫形器虽然可以解决不同患者使用时，个体差异导致的运动不一致的现象，但是对单个使用者在使用过程中人机之间的运动不适应问题没有帮助，而且使用前需要重复调整装置的各个尺寸以达到最舒适的状态，使训练费时费力。(a)模型(b)实验机构图1-3具有扭矩调节机构和U形弹簧的外骨骼膝关节机构Figure1-3Self-adjustingkneejointexoskeletonwithaU-spring
第一章绪论5KoheiSakai等人提出具有扭矩调节机构和U形弹簧的外骨骼膝关节机构[25]，该设计参照样本膝关节在活动中瞬时移动的轨迹，预先设计图1-3中的移动滑槽，令外骨骼膝关节转动中心沿滑槽运动，达到与人膝部股骨髁转动中心同步的目的。另外该设计引入U形弹簧用于吸收人机之间多余的力矩。然而，这种设计基于特定的运动数据来确定其运动的轨迹，且理想的使用条件仅仅存在于每一次穿戴都和测试样本中的情况一致，容错能力较小，无法自发的调整意外的人机错动现象，另一方面，统一参照样本轨迹的外骨骼无法适合多样化的个体。2)使用柔顺结构第二种经常使用的方法是在外骨骼机器人中使用柔顺结构，也较多应用于在康复外骨骼机器人中。这一方法的核心思想不是去消除运动不一致的现象，而是使约束和固定部件采用柔顺材料或是设计成柔顺机构，这种内置的柔顺性为使用者行动提供缓冲，没有不良的约束，并且可以提供足够的舒适性。Gosselin等人提出一种可以自动调节大腿和小腿杆件长度的PRP型外骨骼膝关节矫形器[26]。如图1-4所示，由于外骨骼机器人和人体之间运动错位而产生的内力，以能量的形式储存在关节B处的扭簧内，在活动的过程中，系统趋于减少该弹性势能，恢复力矩将起被动制动器的作用，促使外骨骼上的两个移动副向相反的方向上滑动，令杆件AN及AH长度变化，最终使得人体膝关节的转动中心位于机构的对称平面内，达到可调整外骨骼的转动中心的目的。(a)PRP型膝关节矫形器(b)PRP型膝关节矫形器等效图图1-4PRP型外骨骼膝关节矫形器Figure1-4PRPexoskeletonkneeorthotics不借助于额外的驱动附件，该设计使外骨骼杆件能够自动调节长度，但是同时也令机构运动不受限制，沿着大腿和小腿轴向安装的移动副可以移动到任意位置，造成欠?
本文编号：2953784
【文章来源】：天津大学天津市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：74 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
人与外骨骼机器人之间的运动不一致Figure1-1Motionmisalignmentbetweenhumanlimbandexoskeleton
第一章绪论4调整位置；矫形器的大腿和小腿杆件由相互推挤的矩形管组成，长度（参数4和5）也可以改变，它们可以通过螺栓固定在不同的位置；最后，腿部绑带的位置（参数6和7）和大小（参数8）也可以调节，由于绑带固定在腿矫形器的直角管上，而直角管可以在下肢矫形器的杆件上前后移动并绑定在正确的位置，也可以适应不同的使用条件。(a)驱动式步态矫形器的模型(b)驱动式步态矫形器在辅助训练中的使用图1-2驱动式步态矫形器Figure1-2ActuatedgaitorthoticsGeryColombo提出的驱动式步态矫形器虽然可以解决不同患者使用时，个体差异导致的运动不一致的现象，但是对单个使用者在使用过程中人机之间的运动不适应问题没有帮助，而且使用前需要重复调整装置的各个尺寸以达到最舒适的状态，使训练费时费力。(a)模型(b)实验机构图1-3具有扭矩调节机构和U形弹簧的外骨骼膝关节机构Figure1-3Self-adjustingkneejointexoskeletonwithaU-spring
第一章绪论5KoheiSakai等人提出具有扭矩调节机构和U形弹簧的外骨骼膝关节机构[25]，该设计参照样本膝关节在活动中瞬时移动的轨迹，预先设计图1-3中的移动滑槽，令外骨骼膝关节转动中心沿滑槽运动，达到与人膝部股骨髁转动中心同步的目的。另外该设计引入U形弹簧用于吸收人机之间多余的力矩。然而，这种设计基于特定的运动数据来确定其运动的轨迹，且理想的使用条件仅仅存在于每一次穿戴都和测试样本中的情况一致，容错能力较小，无法自发的调整意外的人机错动现象，另一方面，统一参照样本轨迹的外骨骼无法适合多样化的个体。2)使用柔顺结构第二种经常使用的方法是在外骨骼机器人中使用柔顺结构，也较多应用于在康复外骨骼机器人中。这一方法的核心思想不是去消除运动不一致的现象，而是使约束和固定部件采用柔顺材料或是设计成柔顺机构，这种内置的柔顺性为使用者行动提供缓冲，没有不良的约束，并且可以提供足够的舒适性。Gosselin等人提出一种可以自动调节大腿和小腿杆件长度的PRP型外骨骼膝关节矫形器[26]。如图1-4所示，由于外骨骼机器人和人体之间运动错位而产生的内力，以能量的形式储存在关节B处的扭簧内，在活动的过程中，系统趋于减少该弹性势能，恢复力矩将起被动制动器的作用，促使外骨骼上的两个移动副向相反的方向上滑动，令杆件AN及AH长度变化，最终使得人体膝关节的转动中心位于机构的对称平面内，达到可调整外骨骼的转动中心的目的。(a)PRP型膝关节矫形器(b)PRP型膝关节矫形器等效图图1-4PRP型外骨骼膝关节矫形器Figure1-4PRPexoskeletonkneeorthotics不借助于额外的驱动附件，该设计使外骨骼杆件能够自动调节长度，但是同时也令机构运动不受限制，沿着大腿和小腿轴向安装的移动副可以移动到任意位置，造成欠?
本文编号：2953784
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