下肢助力外骨骼机器人的结构设计与步态规划
发布时间：2021-01-29 22:05
随着科技进步,人机交互、辅助医疗、机器人技术在日常服务领域的应用日益增多,为人们生活带来诸多便利。本文围绕上述领域,基于辅助人长途行走运动、降低自身体能消耗的现实意义,以结构简洁灵活、系统稳定性高和穿戴舒适为设计目标,开展了下肢助力外骨骼机器人的设计研究。首先,从分析人体下肢结构入手,在遵循人体结构尺寸参数的前提下,按照踝关节、膝关节、髋关节和腰部相关结构的模块划分方式,对下肢助力外骨骼的整体机械结构进行设计;为了到达结构精巧、系统稳定的目的,选择液压驱动方案,并采用遗传算法对液压缸与气缸平衡机构进行优化设计,依照优化结果选择液压缸参数。其次,采用Workbench软件对踝关节柔性元件和腰部柔性元件进行有限元分析,仿真结果表明:在正常施加载荷的情况下,踝关节柔性元件和腰部柔性元件的最大应力低于材料的许用应力、最大形变量符合设计要求。然后,建立下肢助力外骨骼的D-H模型,进行正运动学和逆运动学的求解,并运用拉格朗日动力学法进行动力学方程的建立与分析。最后,采用三次多项式插值法对外骨骼的步态进行求解与分析,并借助Matlab软件对下肢助力外骨骼的步态进行建模与规划,通过分析模型运动过程中的...
【文章来源】：山东科技大学山东省
【文章页数】：88 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－１?Ｇｕａｒｄｉａｎ?ＸＯＳ外骨骼?
?绪论??骼机器人，如图１－１所示。与己研发的外骨骼设备相比，Ｇｕａｒｄｉａｎ?ＸＯＳ系列行??动敏捷且强劲有力，当人体穿戴ＸＯＳ系列外骨骼时，可举放９００．７ｋｇ的重物却??只有９ｋｇ体感，并可连续举放５０－５００次［５］。但其自带电池只能使用４０分钟，需??随身配备充电电源线，如若解决电源问题，相信很快可以实用化。目前，ＳＡＲＣＯＳ??外骨骼机器人旨在扩大和增加用户量，如在铲车无法进入的泥泞、偏远地区借??助外骨骼完成货物快速装卸。??考ｆ??图１－１?Ｇｕａｒｄｉａｎ?ＸＯＳ外骨骼?图１－２伯克利下肢末端外骨骼??Ｆｉｇ．?１－１?Ｇｕａｒｄｉａｎ?ＸＯＳ?ｅｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎ?Ｆｉｇ．?１－２?Ｂｅｒｋｅｌｅｙ?Ｌｏｗｅｒ?Ｅｘｔｒｅｍｉｔｙ??Ｅｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎ??２００４年，美国加州大学伯克利发布“伯克利下肢末端外骨骼”（Ｂｅｒｋｅｌｅｙ??Ｌｏｗｅｒ?Ｅｘｔｒｅｍｉｔｙ?Ｅｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎ，ＢＬＥＥＸ），如图?１－２?所不［６］。该装置通过人体行走??充充电，电源可连续作业２０小时，最大负载４５ｋｇ。人体处于最高负载时，穿戴??者的耗氧量比未穿戴者自力承担相同负载的耗氧量少１５％。动力上
矗?１?％??ｆｉｒ?Ｒ?ｆ??警—］Ｊ?＃崳?图１－４?Ｓｏｇａｎｇ外骨骼?图１－５?Ｈａｎｙａｎｇ外骨骼??Ｆｉｇ．?１－４?Ｓｏｇａｎｇ?ｅｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎ?Ｆｉｇ．?１－５?Ｈａｎｙａｎｇ?ｅｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎ??１．２．２国内外骨骼机器人现状??我国在外骨骼机器人领域的科学研宄起步晚于国外发达国家，但随着外骨??骼在军事、医疗、社会等领域的作用越来越重要，国内各科研院所也逐步展开??对外骨骼机器人的研发，如中科院合肥智能机械研宄所、华东理工大学、浙江??大学等，并取得一系列有价值的科研成果。??中科院合肥智能机械研宄所葛运建教授参与研发的下肢助力外骨骼机器??人，是国内进行较早的外骨骼研宄，如图１－６所示［１２］。该外骨骼是与日本鹿岛??大学余永等学者基于拟人化思想联合研制的，采用电机驱动，每条腿有６个自??由度，包含踝关节的屈曲／伸展、膝关节的屈曲／伸展、髋关节的屈曲／伸展、内??旋／外旋和内收／外展以及足尖跖趾关节［１３］。??图１－６智能机械研究所外骨骼?图１－７华东理工大学外骨骼??Ｆｉｇ．?１－６?Ｅｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎ?ｏｆ?ｔｈｅ?Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ?ｏｆ?Ｆｉｇ．?１－７?Ｅｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎ?ｏｆ?Ｅａｓｔ?Ｃｈｉｎａ??ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ?ｍａｃｈｉｎｅｒｙ?Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ?ｏｆ?Ｓｃｉｅｎｃｅ?ａｎｄ?Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ??华东理工大学曹恒教授与其科研团队研制出腿部有完整自由度即七自由度??的下肢助力外骨骼
【参考文献】：
期刊论文
[1]无侧隙端面啮合蜗杆副瞬态动力学分析[J]. 王凯,姚进,邓星桥,王进戈. 工程科学与技术. 2017(01)
[2]基于MATLAB的焊接机器人工作空间及轨迹规划仿真[J]. 孙光亚,岳建锋,钟蒲. 机电信息. 2016(27)
[3]助力型下肢外骨骼机器人现状及展望[J]. 欧阳小平,范伯骞,丁硕. 科技导报. 2015(23)
[4]外骨骼机器人系统中人体下肢关节力矩动态解算[J]. 郭伟,杨丛为,邓静,查富生. 机械与电子. 2015(10)
[5]人机工程学重点课程建设的思路与实现[J]. 张瑞杰,张佳贺,阚凤岩,杨敬源,赵立新. 知识经济. 2015(03)
[6]医药灌装机械手轨迹规划的研究[J]. 邵峰,陈刚. 机电一体化. 2014(09)
[7]基于Matlab的机器人运动学分析与轨迹规划仿真[J]. 张舒曼,周亚军. 工业控制计算机. 2014(08)
[8]下肢外骨骼机器人的现状与展望[J]. 周达岸,李建军. 中国康复理论与实践. 2013(12)
[9]人体行走下肢生物力学研究[J]. 韩亚丽,王兴松. 中国科学:技术科学. 2011(05)
[10]基于MATLAB Robotics Toolbox的机器人学仿真实验教学[J]. 谢斌,蔡自兴. 计算机教育. 2010(19)
博士论文
[1]下肢助力外骨骼机器人研究[D]. 张超.哈尔滨工业大学 2016
[2]下肢外骨骼的动力学分析与运动规划[D]. 贾山.东南大学 2016
[3]人体关节生物力学实验及仿真研究[D]. 韩树洋.中国矿业大学 2014
硕士论文
[1]外骨骼康复机器人步态规划及稳定性分析[D]. 刘新越.南京理工大学 2017
[2]基于人体助力外骨骼的老年人家用医疗产品设计研究[D]. 周振.重庆大学 2016
[3]外骨骼机器人步态设计与运动控制研究[D]. 朱昕毅.合肥工业大学 2016
[4]下肢外骨骼机器人结构设计与仿真分析[D]. 邵子宴.扬州大学 2016
[5]一种新型可穿戴式助行机器人的研究[D]. 陈文.南昌大学 2014
[6]基于SolidWorks的工业机器人离线仿真系统[D]. 宋鹏飞.齐鲁工业大学 2013
[7]一种穿戴式下肢康复机器人的步态规划及康复策略[D]. 徐汝龙.西华大学 2012
[8]康复训练机械腿的研究[D]. 张中华.东北大学 2011
[9]可穿戴式的下肢步行外骨骼控制机理研究与实现[D]. 牛彬.浙江大学 2006
本文编号：3007687
【文章来源】：山东科技大学山东省
【文章页数】：88 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－１?Ｇｕａｒｄｉａｎ?ＸＯＳ外骨骼?
?绪论??骼机器人，如图１－１所示。与己研发的外骨骼设备相比，Ｇｕａｒｄｉａｎ?ＸＯＳ系列行??动敏捷且强劲有力，当人体穿戴ＸＯＳ系列外骨骼时，可举放９００．７ｋｇ的重物却??只有９ｋｇ体感，并可连续举放５０－５００次［５］。但其自带电池只能使用４０分钟，需??随身配备充电电源线，如若解决电源问题，相信很快可以实用化。目前，ＳＡＲＣＯＳ??外骨骼机器人旨在扩大和增加用户量，如在铲车无法进入的泥泞、偏远地区借??助外骨骼完成货物快速装卸。??考ｆ??图１－１?Ｇｕａｒｄｉａｎ?ＸＯＳ外骨骼?图１－２伯克利下肢末端外骨骼??Ｆｉｇ．?１－１?Ｇｕａｒｄｉａｎ?ＸＯＳ?ｅｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎ?Ｆｉｇ．?１－２?Ｂｅｒｋｅｌｅｙ?Ｌｏｗｅｒ?Ｅｘｔｒｅｍｉｔｙ??Ｅｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎ??２００４年，美国加州大学伯克利发布“伯克利下肢末端外骨骼”（Ｂｅｒｋｅｌｅｙ??Ｌｏｗｅｒ?Ｅｘｔｒｅｍｉｔｙ?Ｅｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎ，ＢＬＥＥＸ），如图?１－２?所不［６］。该装置通过人体行走??充充电，电源可连续作业２０小时，最大负载４５ｋｇ。人体处于最高负载时，穿戴??者的耗氧量比未穿戴者自力承担相同负载的耗氧量少１５％。动力上
矗?１?％??ｆｉｒ?Ｒ?ｆ??警—］Ｊ?＃崳?图１－４?Ｓｏｇａｎｇ外骨骼?图１－５?Ｈａｎｙａｎｇ外骨骼??Ｆｉｇ．?１－４?Ｓｏｇａｎｇ?ｅｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎ?Ｆｉｇ．?１－５?Ｈａｎｙａｎｇ?ｅｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎ??１．２．２国内外骨骼机器人现状??我国在外骨骼机器人领域的科学研宄起步晚于国外发达国家，但随着外骨??骼在军事、医疗、社会等领域的作用越来越重要，国内各科研院所也逐步展开??对外骨骼机器人的研发，如中科院合肥智能机械研宄所、华东理工大学、浙江??大学等，并取得一系列有价值的科研成果。??中科院合肥智能机械研宄所葛运建教授参与研发的下肢助力外骨骼机器??人，是国内进行较早的外骨骼研宄，如图１－６所示［１２］。该外骨骼是与日本鹿岛??大学余永等学者基于拟人化思想联合研制的，采用电机驱动，每条腿有６个自??由度，包含踝关节的屈曲／伸展、膝关节的屈曲／伸展、髋关节的屈曲／伸展、内??旋／外旋和内收／外展以及足尖跖趾关节［１３］。??图１－６智能机械研究所外骨骼?图１－７华东理工大学外骨骼??Ｆｉｇ．?１－６?Ｅｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎ?ｏｆ?ｔｈｅ?Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ?ｏｆ?Ｆｉｇ．?１－７?Ｅｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎ?ｏｆ?Ｅａｓｔ?Ｃｈｉｎａ??ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ?ｍａｃｈｉｎｅｒｙ?Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ?ｏｆ?Ｓｃｉｅｎｃｅ?ａｎｄ?Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ??华东理工大学曹恒教授与其科研团队研制出腿部有完整自由度即七自由度??的下肢助力外骨骼
【参考文献】：
期刊论文
[1]无侧隙端面啮合蜗杆副瞬态动力学分析[J]. 王凯,姚进,邓星桥,王进戈. 工程科学与技术. 2017(01)
[2]基于MATLAB的焊接机器人工作空间及轨迹规划仿真[J]. 孙光亚,岳建锋,钟蒲. 机电信息. 2016(27)
[3]助力型下肢外骨骼机器人现状及展望[J]. 欧阳小平,范伯骞,丁硕. 科技导报. 2015(23)
[4]外骨骼机器人系统中人体下肢关节力矩动态解算[J]. 郭伟,杨丛为,邓静,查富生. 机械与电子. 2015(10)
[5]人机工程学重点课程建设的思路与实现[J]. 张瑞杰,张佳贺,阚凤岩,杨敬源,赵立新. 知识经济. 2015(03)
[6]医药灌装机械手轨迹规划的研究[J]. 邵峰,陈刚. 机电一体化. 2014(09)
[7]基于Matlab的机器人运动学分析与轨迹规划仿真[J]. 张舒曼,周亚军. 工业控制计算机. 2014(08)
[8]下肢外骨骼机器人的现状与展望[J]. 周达岸,李建军. 中国康复理论与实践. 2013(12)
[9]人体行走下肢生物力学研究[J]. 韩亚丽,王兴松. 中国科学:技术科学. 2011(05)
[10]基于MATLAB Robotics Toolbox的机器人学仿真实验教学[J]. 谢斌,蔡自兴. 计算机教育. 2010(19)
博士论文
[1]下肢助力外骨骼机器人研究[D]. 张超.哈尔滨工业大学 2016
[2]下肢外骨骼的动力学分析与运动规划[D]. 贾山.东南大学 2016
[3]人体关节生物力学实验及仿真研究[D]. 韩树洋.中国矿业大学 2014
硕士论文
[1]外骨骼康复机器人步态规划及稳定性分析[D]. 刘新越.南京理工大学 2017
[2]基于人体助力外骨骼的老年人家用医疗产品设计研究[D]. 周振.重庆大学 2016
[3]外骨骼机器人步态设计与运动控制研究[D]. 朱昕毅.合肥工业大学 2016
[4]下肢外骨骼机器人结构设计与仿真分析[D]. 邵子宴.扬州大学 2016
[5]一种新型可穿戴式助行机器人的研究[D]. 陈文.南昌大学 2014
[6]基于SolidWorks的工业机器人离线仿真系统[D]. 宋鹏飞.齐鲁工业大学 2013
[7]一种穿戴式下肢康复机器人的步态规划及康复策略[D]. 徐汝龙.西华大学 2012
[8]康复训练机械腿的研究[D]. 张中华.东北大学 2011
[9]可穿戴式的下肢步行外骨骼控制机理研究与实现[D]. 牛彬.浙江大学 2006
本文编号：3007687
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