下肢外骨骼机器人结构可拓设计与仿真研究

发布时间：2017-07-19 02:19

本文关键词：下肢外骨骼机器人结构可拓设计与仿真研究

【摘要】：下肢外骨骼机器人(LEER)是一种用于支撑人体重量、提高人体运动能力和节约人体体力的服务型机器人。与其他机器人不同,LEER必须在人穿戴的情况下才能实现它的作用。随着机器人技术的发展,国内外对LEER的研究越来越得到重视,该装置也成为了多数国家战略性研究项目。本文首先分析了LEER研究领域存在的关键技术问题,提出了一种融入Kano需求模型与动力学设计原理的新的可拓设计方法。将该方法应用到LEER结构的概念设计中,体现了可拓设计方法在产品设计上定性与定量分析相结合的优势。本文的主要研究工作及创新点如下：1.首次将可拓设计方法应用到LEER结构设计领域,用可拓设计方法的形式化模型描述对象,用可拓变换方法来解决设计中的矛盾问题,对于LEER结构设计常用的静态仿生设计与动力学模拟方法而言,具有可操作性强、便于软件化的优势；2.应用Kano需求模型对产品设计的潜在用户需求进行分析与分类,结合专家意见,能更加直观的得到不同需求在用户心目中的满意度,为进一步的产品设计提供了数据支撑,也为可拓设计方法的拓展分析与可拓变换提供了客观参考,减少了变换的冗余率；3.将动力学设计原理融入到可拓设计方法中,提出了一种结构类产品设计的收敛评估方法。首先,对基元对象进行拓展分析与可拓变换,之后,应用运动学与动力学设计原理对多个基元方案进行收敛,其中得到的最优方案作为可拓较优解方案,该收敛方法对解决人机交互设备的设计有一定的实用性；4.设计了一款LEER自适应座椅装置,该装置能够帮助下肢截瘫患者在穿戴下肢外骨骼机器人的情况下完成起立与坐下动作。该装置具有结构简单、适应性强、稳定性高、传动效率高等特点。5.对本文中获得的概念设计模型进行了虚拟样机ADAMS仿真分析和样机实物的实验,验证了本方法的正确性。在本文的结论部分说明了本文的主要研究工作和创新之处以及有待进一步研究的问题。本研究为LEER结构的设计提供了一种新的思路,从定性与定量的角度来分析LEER,用可拓变换的方法来解决LEER设计过程中的矛盾问题。本方法结合了动力学设计原理和优度评价方法来评估各个方案,使得LEER可拓概念设计客观性更强,具有一定的前沿性。
【关键词】：下肢外骨骼机器人(LEER) 可拓设计方法 Kano需求模型 动力学设计原理 ADAMS仿真分析
【学位授予单位】：广东工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP242
【目录】：

摘要4-6
ABSTRACT6-14
第一章绪论14-25
1.1 研究背景及意义14-15
1.2 国内外LEER研究进展15-20
1.2.1 国外LEER研究现状15-18
1.2.2 国内LEER研究现状18-19
1.2.3 LEER技术难点分析19-20
1.3 可拓设计方法研究现状20-22
1.4 本文主要研究内容22-24
1.5 本章小结24-25
第二章基础知识25-34
2.1 可拓设计概述25
2.2 基本可拓创新方法25-31
2.2.1 可拓模型建立方法25-26
2.2.2 拓展分析方法26-27
2.2.3 可拓变换方法27-28
2.2.4 优度评价法28-31
2.3 可拓设计方法31-32
2.4 矛盾问题的求解方法32-33
2.5 本章小结33-34
第三章基于KANO需求模型与动力学设计原理的可拓设计方法34-44
3.1 Kano需求模型概述34-35
3.2 基于动力学设计的收敛评估方法35-38
3.2.1 动力学设计的基本概念35-36
3.2.2 收敛评估方法36-38
3.3 基于Kano需求模型及动力学设计的可拓设计方法的一般步骤38-43
3.4 本章小结43-44
第四章 LEER结构可拓概念设计44-68
4 LEER的Kano需求分类及特征集与衡量指标的确定44-48
4.2 建立LEER初始可拓模型并建立其子物元48-49
4.3 LEER机构类子物元的拓展分析与可拓变换49-51
4.4 LEER部件类子物元的拓展分析与可拓变换51-55
4.5 机构类子物元的动力学设计收敛55-59
4.6 部件类子物元的优度评价收敛59-62
4.7 子物元较优解的组合并进行综合优度评价62-64
4.8 LEER概念设计三维模型64-67
4.9 本章小结67-68
第五章 LEER自适应座椅装置设计68-81
5.1 起立坐下过程中矛盾问题可拓模型的建立68-70
5.2 条件的拓展分析与可拓变换70-72
5.3 坐下起立运动分析72-75
5.4 样机的设计与仿真分析75-80
5.4.1 LEER自适应座椅的设计75-79
5.4.2 ADAMS仿真分析79-80
5.5 本章小结80-81
第六章 LEER虚拟样机仿真分析与实验81-89
6.1 LEER概念设计方案虚拟样机仿真与分析81-84
6.1.1 三维模型的导入81
6.1.2 仿真约束的建立81-82
6.1.3 行走运动仿真及分析82-84
6.2 LEER穿戴行走实验84-87
6.2.1 样机机械系统84-85
6.2.2 样机电机及传感系统85-86
6.2.3 穿戴实验准备86
6.2.4 健康人穿戴行走实验86-87
6.2.5 下肢截瘫病人穿戴行走实验87
6.3 本章小结87-89
总结与展望89-91
参考文献91-95
攻读硕士学位期间研究成果95-97
致谢97-98

【参考文献】

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