基于能量捕获的下肢助力外骨骼研究

发布时间：2023-04-02 21:05

　　当前,有很多研究人员通过设计人体外骨骼来辅助人体行走。但大多数助力外骨骼是需要自带供能系统(如电池等)进行供能,一旦能量耗尽,得不到补充,这些设备就无法使用。为了解决助力外骨骼对自带供能系统的依赖问题,有研究者希望通过捕获自然界的能量为外骨骼供能,如光能、风能等,但受使用场合和功率限制,这些方法也不可行。而通过对人体步行运动特征的研究发现,人体步行是一个周期性运动,人体在这个周期中不同阶段的能量分布是不均匀的,如果可以调整行走过程中身体能量的时间和空间分布,则可以有效地实现行走助力的目的。因此,本课题将利用人体的运动特征和人体能量捕获技术,设计无需供能的下肢行走助力外骨骼。本课题提出了两种基于膝关节的下肢行走助力装置。在设计下肢助力装置之前,我们首先研究了人体正常行走时的运动特征和下肢的生物力学模型,然后根据这些研究理论提出了建立下肢行走助力和能量捕获的数学模型,用于提高助力和能量捕获的性能。随后总结了设计下肢助力系统的具体方法。基于上述的模型和设计方法,本课题设计了首先设计了基于膝关节的助力器,随后通过改进,设计了另一款下肢助力外骨骼。为了验证理论,两种助力装置的原型样机都被加工制造...

【文章页数】：93 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
    1.1 研究背景与意义
        1.1.1 课题来源
        1.1.2 研究背景与意义
    1.2 助力外骨骼技术国内外研究现状
    1.3 本项目的课题内容、关键技术和创新点
    1.4 主要研究思路、内容及结构安排
        1.4.1 研究内容
        1.4.2 论文内容和结构安排
第二章 人体下肢的生物力学和动力学
    2.1 步态分析
    2.2 下肢的生理结构及其力学分析
        2.2.1 下肢肌肉群划分
        2.2.2 肌肉群-肌腱的力学特征
        2.2.3 肌肉的阻尼特性
    2.3 下肢动力学模型及其数学模型
        2.3.1 动力学分析方法
        2.3.2 人体七杆模型
        2.3.3 人体行走的动力学模型
    2.4 动力学仿真及分析
        2.4.1 人体惯性参数的测量
        2.4.2 行走运动学数据的获取
        2.4.3 基于Adams的动力学仿真分析
    2.5 人在步行中可捕获的能量分布情况及其模型
    2.6 本章小结
第三章 基于能量捕获的下肢助力理论
    3.1 下肢助力的理论模型
        3.1.1 下肢助力的抽象模型
        3.1.2 助力外骨骼对生物机械功的影响
    3.2 能量捕获模型
        3.2.1 发电机的力学模型
        3.2.2 机电转换的数学模型
    3.3 下肢助力系统的设计方法
        3.3.1 助力外骨骼的简化模型
        3.3.2 助力功能的数学模型
        3.3.3 人体能量流向的改变
    3.4 本章小结
第四章 基于膝关节的下肢能量捕获及其助力分析
    4.1 膝关节助力器的设计模型
    4.2 数学模型、分析及仿真
        4.2.1 膝关节力矩重新分布的数学模型
        4.2.2 助力器的功率输出
        4.2.3 弹簧和阻尼对膝关节生物力学特征的影响
    4.3 原理样机及实验方法
        4.3.1 原型样机的制造
        4.3.2 实验方法
    4.4 实验结果及分析
        4.4.1 实验结果
        4.4.2 结果分析
    4.5 本章小结
第五章 基于膝关节的下肢助力及其对步态影响分析
    5.1 下肢助力外骨骼的设计模型
        5.1.1 三维模型
        5.1.2 工作原理
    5.2 数学模型、分析及仿真
        5.2.1 膝关节力矩重新分布的数学模型
        5.2.2 发电功率输出
        5.2.3 弹簧与阻尼的助力模型
    5.3 原理样机及实验方法
        5.3.1 原型样机的制造
        5.3.2 实验方法
    5.4 实验结果及分析
        5.4.1 步态影响分析
        5.4.2 助力与能量捕获效果分析
    5.5 本章小结
结论与展望
参考文献
攻读硕士学位期间取得的研究成果
致谢
附件



本文编号：3779954