膝关节外骨骼设计与控制算法开发
发布时间：2021-12-01 21:25
外骨骼是一种并联于人体外侧,用于助力、助行或者辅助康复治疗的装置。作为助力应用,外骨骼可以增强穿戴者的肢体能力或者直接承担外负荷,从而可以有效的降低人体能量消耗,可作为一种远距离负重行走的助力器械应用于军事;其助行或者辅助康复治疗功能可以帮助肢体功能不健全的人进行正常行走,或者完成搬运物品的动作。本研究开发的外骨骼装置旨在进行户外医疗康复或老年人助力,为了避免双下肢外骨骼的笨重,本研究主要针对单下肢外骨骼。膝关节外骨骼国外已有研究机构在研究,在国内仍然在理论研究阶段,总结发现:国外膝关节外骨骼的驱动较为笨重,或者开发成本昂贵,故本研究设计制造了此款轻便的膝关节外骨骼装置。本文将从以下几个方面进行介绍:1.机械结构方面。此款新型膝关节外骨骼设备结构主要包括:机械本体和液压阻尼器。膝关节旋转由液压阻尼器驱动,为了进一步满足穿戴需求和轻便要求,设计制造了两版外骨骼机械本体和阻尼器。作为外骨骼的主要元件-液压阻尼器,采用ADAMS软件进行行走仿真分析以及运动学和动力学分析,最终选取合适的阻尼器参数。2.控制系统。控制器采用STM32单片机,设计制作了膝关节外骨骼信号采集硬件结构。通过采集一组足...
【文章来源】：北京林业大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：68 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－２国内外骨骼机器人??
进行人体运动的分析通常是在基本姿势下，即身体直立，双脚并排站立，两手??在身体两侧，手掌附于身体一侧。人体的运动可以用世界坐标系的平面和轴进行表??示，如图２－１所示。??水?ｒ？丨??ｚ?ｒ｜?ａ??图２－１人体的基本切面和基本轴??Ｆｉｇ．２－１?Ｂａｓｉｃ?ｓｅｃｔｉｏｎ?ａｎｄ?ｂａｓｉｃ?ａｘｉｓ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｈｕｍａｎ?ｂｏｄｙ??解剖平面是一个假设的平面，用于人体的横断面，用来描述结构的位置或运动??方向。在人体解剖学和动物解剖学中，使用了三个主平面：??矢状面或中间平面（纵向、前后）是一个平行于身体的矢状平面。它把身体切??成左右两部分（刘鹏，２０１６）。??冠状面或额状面（垂直）将身体分为背部和腹部（背部、前部、后部和前??部）。??横向平面或轴向平面（横向、水平）把身体切成上下（头和尾）两部分。??１３??
摆动阶段：摆动阶段是步态周期的一部分，在这个过程中，基准脚不接触地面??而在空中摇摆，这个过程约占整个步态周期的４０％。它有三个部分：初始摆动，摇??摆中期和摆动末期。行走时下肢的轨迹如图２－２所示。??Ａ?ｉ?１?ｉｌ?１?ｋ??右足跟着地右足放平?右站立中期?右足跟离地右足趾离地?右迈步中期右足跟着地??ｉ?Ｈ?Ｉ?ｉ?ｉ?ｉ?ｉ?＼?Ｈ?Ｈ?ｉ??０％?１０％?２０％?３０％?４０％?５０％?６０％?７０％?８０％?９０％?１００％??图２－２人体步态周期??Ｆｉｇ．２－２?Ｈｕｍａｎ?ｇａｉｔ?ｃｙｃｌｅ??２．４．膝关节外骨骼结构设计??对膝关节外骨骼的机械结构仔细研究，本研宄设计开发了第一版外骨骼结构。??由于经验不足，其部分功能达不到要求，在此基础上，本研究又继续设计制造第二??款膝关节外骨骼助力装置。??２．４．１．初版外骨骼设计??目前，机械设计在下肢康复机器人技术研究中有重大的意义。合理的结构设计??有助于优化控制策略的功能，提高康复效果和用户舒适度，降低生产成本。??根据人体下肢的尺寸，研究进行多次设计和改进，本文设计的第一版膝关节外??骨骼的机械本体如下图所示，他主要有大腿部分、小腿部分和液压阻尼器及相关附??件组成
【参考文献】：
期刊论文
[1]多关节外骨骼助力机器人发展现状及关键技术分析[J]. 宋遒志,王晓光,王鑫,汪阳. 兵工学报. 2016(01)
[2]外骨骼机器人的研究现状及发展趋势[J]. 邢凯,赵新华,陈炜,侍才洪,郭月,张西正. 医疗卫生装备. 2015(01)
[3]步态分析在下肢假肢装配中的应用[J]. 吴志彬,蒋宛凌,舒彬. 中国康复医学杂志. 2013(12)
[4]下肢外骨骼助行机器人驱动系统分析[J]. 刘会勇,赵青. 机床与液压. 2013(13)
[5]外骨骼机器人的研究发展[J]. 柴虎,侍才洪,王贺燕,张坤亮,杨康健,赵润洲,张西正. 医疗卫生装备. 2013(04)
[6]基于ADAMS软件的3-RPS并联机器人动力学仿真[J]. 陈红亮,陈升芳,罗玉峰. 机床与液压. 2013(05)
[7]下肢助力外骨骼的动力学分析及仿真[J]. 韩亚丽,王兴松. 系统仿真学报. 2013(01)
[8]穿戴式下肢外骨骼康复机器人机械设计[J]. 王志鹏,郭险峰. 科技资讯. 2012(33)
[9]下肢外骨骼行走康复机器人研究与设计[J]. 饶玲军,谢叻,朱小标. 机械设计与研究. 2012(03)
[10]下肢行走康复训练机器人控制系统设计[J]. 陈捡,韩建海,程卫卫. 液压与气动. 2011(08)
博士论文
[1]基于柔性传动的助力全身外骨骼机器人系统研究[D]. 陈春杰.中国科学院大学(中国科学院深圳先进技术研究院) 2017
[2]液压驱动下肢外骨骼机器人关键技术研究[D]. 范伯骞.浙江大学 2017
[3]液压驱动下肢外骨骼机器人摆动相控制系统研究[D]. 靳兴来.浙江大学 2017
[4]下肢外骨骼的动力学分析与运动规划[D]. 贾山.东南大学 2016
[5]助行康复机器人控制策略研究[D]. 伊蕾.哈尔滨工程大学 2012
[6]可穿戴型助力机器人技术研究[D]. 陈峰.中国科学技术大学 2007
[7]几类神经网络模型的动力学分析及混沌理论的研究[D]. 吴晨.复旦大学 2006
硕士论文
[1]六自由度并联机器人控制算法研究[D]. 文刚.西南交通大学 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]一种六自由度静载平衡汽车运动模拟平台的机构学研究[D]. 刘鹏.燕山大学 2016
[4]基于下肢关节力矩解算与预测的人体运动趋势感知研究[D]. 杨丛为.哈尔滨工业大学 2015
[5]基于惯性传感器的步态测量方法研究与实现[D]. 季冉.大连理工大学 2015
[6]助行动力外骨骼机器人控制技术研究[D]. 陈志明.哈尔滨工程大学 2015
[7]一类非线性级联反馈系统的鲁棒自适应控制[D]. 汪超.哈尔滨工业大学 2014
[8]自主减重外骨骼下肢机器人的混合控制系统设计与实现[D]. 郑航明.电子科技大学 2014
[9]穿戴式步态矫形器感知系统研究[D]. 张行.武汉理工大学 2014
[10]可穿戴下肢康复外骨骼结构设计及有限元分析[D]. 李美成.长春理工大学 2014
本文编号：3527083
【文章来源】：北京林业大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：68 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－２国内外骨骼机器人??
进行人体运动的分析通常是在基本姿势下，即身体直立，双脚并排站立，两手??在身体两侧，手掌附于身体一侧。人体的运动可以用世界坐标系的平面和轴进行表??示，如图２－１所示。??水?ｒ？丨??ｚ?ｒ｜?ａ??图２－１人体的基本切面和基本轴??Ｆｉｇ．２－１?Ｂａｓｉｃ?ｓｅｃｔｉｏｎ?ａｎｄ?ｂａｓｉｃ?ａｘｉｓ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｈｕｍａｎ?ｂｏｄｙ??解剖平面是一个假设的平面，用于人体的横断面，用来描述结构的位置或运动??方向。在人体解剖学和动物解剖学中，使用了三个主平面：??矢状面或中间平面（纵向、前后）是一个平行于身体的矢状平面。它把身体切??成左右两部分（刘鹏，２０１６）。??冠状面或额状面（垂直）将身体分为背部和腹部（背部、前部、后部和前??部）。??横向平面或轴向平面（横向、水平）把身体切成上下（头和尾）两部分。??１３??
摆动阶段：摆动阶段是步态周期的一部分，在这个过程中，基准脚不接触地面??而在空中摇摆，这个过程约占整个步态周期的４０％。它有三个部分：初始摆动，摇??摆中期和摆动末期。行走时下肢的轨迹如图２－２所示。??Ａ?ｉ?１?ｉｌ?１?ｋ??右足跟着地右足放平?右站立中期?右足跟离地右足趾离地?右迈步中期右足跟着地??ｉ?Ｈ?Ｉ?ｉ?ｉ?ｉ?ｉ?＼?Ｈ?Ｈ?ｉ??０％?１０％?２０％?３０％?４０％?５０％?６０％?７０％?８０％?９０％?１００％??图２－２人体步态周期??Ｆｉｇ．２－２?Ｈｕｍａｎ?ｇａｉｔ?ｃｙｃｌｅ??２．４．膝关节外骨骼结构设计??对膝关节外骨骼的机械结构仔细研究，本研宄设计开发了第一版外骨骼结构。??由于经验不足，其部分功能达不到要求，在此基础上，本研究又继续设计制造第二??款膝关节外骨骼助力装置。??２．４．１．初版外骨骼设计??目前，机械设计在下肢康复机器人技术研究中有重大的意义。合理的结构设计??有助于优化控制策略的功能，提高康复效果和用户舒适度，降低生产成本。??根据人体下肢的尺寸，研究进行多次设计和改进，本文设计的第一版膝关节外??骨骼的机械本体如下图所示，他主要有大腿部分、小腿部分和液压阻尼器及相关附??件组成
【参考文献】：
期刊论文
[1]多关节外骨骼助力机器人发展现状及关键技术分析[J]. 宋遒志,王晓光,王鑫,汪阳. 兵工学报. 2016(01)
[2]外骨骼机器人的研究现状及发展趋势[J]. 邢凯,赵新华,陈炜,侍才洪,郭月,张西正. 医疗卫生装备. 2015(01)
[3]步态分析在下肢假肢装配中的应用[J]. 吴志彬,蒋宛凌,舒彬. 中国康复医学杂志. 2013(12)
[4]下肢外骨骼助行机器人驱动系统分析[J]. 刘会勇,赵青. 机床与液压. 2013(13)
[5]外骨骼机器人的研究发展[J]. 柴虎,侍才洪,王贺燕,张坤亮,杨康健,赵润洲,张西正. 医疗卫生装备. 2013(04)
[6]基于ADAMS软件的3-RPS并联机器人动力学仿真[J]. 陈红亮,陈升芳,罗玉峰. 机床与液压. 2013(05)
[7]下肢助力外骨骼的动力学分析及仿真[J]. 韩亚丽,王兴松. 系统仿真学报. 2013(01)
[8]穿戴式下肢外骨骼康复机器人机械设计[J]. 王志鹏,郭险峰. 科技资讯. 2012(33)
[9]下肢外骨骼行走康复机器人研究与设计[J]. 饶玲军,谢叻,朱小标. 机械设计与研究. 2012(03)
[10]下肢行走康复训练机器人控制系统设计[J]. 陈捡,韩建海,程卫卫. 液压与气动. 2011(08)
博士论文
[1]基于柔性传动的助力全身外骨骼机器人系统研究[D]. 陈春杰.中国科学院大学(中国科学院深圳先进技术研究院) 2017
[2]液压驱动下肢外骨骼机器人关键技术研究[D]. 范伯骞.浙江大学 2017
[3]液压驱动下肢外骨骼机器人摆动相控制系统研究[D]. 靳兴来.浙江大学 2017
[4]下肢外骨骼的动力学分析与运动规划[D]. 贾山.东南大学 2016
[5]助行康复机器人控制策略研究[D]. 伊蕾.哈尔滨工程大学 2012
[6]可穿戴型助力机器人技术研究[D]. 陈峰.中国科学技术大学 2007
[7]几类神经网络模型的动力学分析及混沌理论的研究[D]. 吴晨.复旦大学 2006
硕士论文
[1]六自由度并联机器人控制算法研究[D]. 文刚.西南交通大学 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]一种六自由度静载平衡汽车运动模拟平台的机构学研究[D]. 刘鹏.燕山大学 2016
[4]基于下肢关节力矩解算与预测的人体运动趋势感知研究[D]. 杨丛为.哈尔滨工业大学 2015
[5]基于惯性传感器的步态测量方法研究与实现[D]. 季冉.大连理工大学 2015
[6]助行动力外骨骼机器人控制技术研究[D]. 陈志明.哈尔滨工程大学 2015
[7]一类非线性级联反馈系统的鲁棒自适应控制[D]. 汪超.哈尔滨工业大学 2014
[8]自主减重外骨骼下肢机器人的混合控制系统设计与实现[D]. 郑航明.电子科技大学 2014
[9]穿戴式步态矫形器感知系统研究[D]. 张行.武汉理工大学 2014
[10]可穿戴下肢康复外骨骼结构设计及有限元分析[D]. 李美成.长春理工大学 2014
本文编号：3527083
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