下肢助力外骨骼机构设计与研究毕业论文.docx
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下肢助力外骨骼机构设计与研究毕业论文
硕士学位论文
下肢助力外骨骼机构设计与研究
RESEARCHANDMECHANISMDESIGN
OFLOWERLIMBPOWEREXOSKELETONS
（全日制工程型）
国内图书分类号：
TP242.6学校代码：
10213
国际图书分类号：
621密级：
公开
工程硕士学位论文
下肢助力外骨骼机构设计与研究
ClassifiedIndex:
TP242.6
U.D.C:
621
DissertationfortheMasterDegreeinEngineering
RESEARCHANDMECHANISMDESIGN
OFLOWERLIMBPOWEREXOSKELETONS
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文
0要
外骨骼研究已成为国内外机器人技术领域研究的热点。
外骨骼机器人能够有效结合人类的智慧和机器人的强壮，让复杂环境下的负重难题不复存在。
随着单兵作战装备重量的提高，一款适用于士兵穿戴，能有效提高士兵负重能力，且适用于各种复杂环境的外骨骼机器人具有极大的应用前景。
本论文围绕下肢助力外骨骼的机械驱动系统设计、运动学和动力学分析、传感系统设计及仿真和实验等关键问题进行了深入的研究。
在对人体下肢运动机理进行仔细分析的基础上，本论文对下肢助力外骨骼的机械驱动系统进行了设计和研究。
根据仿生设计的方法，对外骨骼的髋关节、膝关节和踝关节等结构进行了设计，并对髋关节、大腿连杆、小腿连杆等关键零部件进行了有限元力学分析；最后结合关节肌肉运动机理，对外骨骼液压驱动系统方案进行了设计。
针对外骨骼机械结构，本论文对下肢助力外骨骼进行了运动学及动力学分析。
对外骨骼机械腿进行D-H建模，求解运动学正解，采用微分变换法求雅克比矩阵。
然后采用拉格朗日功能平衡法，对外骨骼进行动力学求解。
根据外骨骼整体结构和控制策略，本论文对下肢助力外骨骼的传感系统进行了设计。
通过分析人体足底压力分布信息，对压力传感器进行了选取和布位，并设计传感鞋，保证采集压力的可靠性和传感器的安全性。
选取了合适的关节转动角度传感器，实现对外骨骼进行准确的控制。
最后，本论文对下肢助力外骨骼进行了仿真分析及实验研究。
仿真分析主要包括关节仿真和行走仿真；实验研究则包括穿戴舒适性试验、关节信息采集实验、步态信息采集实验和外骨骼关节驱动实验等。
仿真与实验结果表明，下肢助力外骨骼机械结构设计合理可靠、穿戴舒适，能够满足外骨骼负重和灵活性要求。
关键词：
下肢助力；外骨骼机器人；结构设计；运动学与动力学
-I-
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文
Abstract
Researchonexoskeletonhasbecomehotspotofrobotictechnologyathomeandabroad.Exoskeletonrobotcancombinewiththewisdomofhumanbeingandthestrengthofroboteffectively,solvingtheproblemonweight-bearinginthecomplexenvironments.Withtheweightimprovementofindividualcombatequipment,ExoskeletonRobotthatsuitsforthesoldiers,hasgreatpotentialapplications,whichisdesignedtoimprovetheWeightcapacityofsoldiersinthevariouscomplexenvironment.Thepaperhasafurtherstudyonthedesignofmechanicaldrivesystem,analysisofkinematicsanddynamics,designofsensingsystem,andthesimulationandexperimentofLowerLimbPowerExoskeleton.
BasedontheanalysisofHumanlowerlimbmovementmechanism,themechanicaldrivingsystemofLowerLimbPowerExoskeletonisdesigned.Accordingtothemethodofbionicsdesign,wedesignthestructureofmechanism,includingthehipjoint,kneeandankleandsoon,andconductthefinite-elementanalysisforthekeyparts.Finallycombiningthemechanismofjointmusclemotion,wedesigntheexoskeletonhydraulicdrivingsystem.
Aimingatthemechanicaldesignofexoskeleton,thekinematicsanddynamicsofexoskeletonisanalyzed.ThepapermodelstheExoskeletonbyusingtheD-Hmethod,andsolvestheforwardkinematics,andgotstheJacobianmatrixbymethodofdifferentialtransformation;thensolvesthedynamicsbyLagrangemethod.
Byresearchonthewholestructureofexoskeletonandcontrolstrategies,thepaperalsodesignsitssensingsystem.Byanalyzingtheinformationoftheplantarpressuredistribution,weselectanddistributethepressuresensor,designthesensingshoesandinsurethereliabilityofcollectingpressureandthesafetyofthesensors.Thenwechoosetheproperjointrotationsensor,realizethecontrolofexoskeletonaccurately.
Finally,somesimulationsandexperimentsisdone.Simulationanalysisincludesjointsimulationandwalksimulation;whileexperimentsincludewearcomfortabletest,Jointfollow-upexperiment,gaitinformationcollectingexperiment,andExoskeletonsdriveexperiment.Theresultsdemonstratethat
-II-
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文
lowerlimbpowerexoskeletoniswelldesignedandsuitableforwear,andcansatisfytherequirementofloadingandflexibility.
Keywords：
LowerLimbPower;exoskeletonrobot;structuraldesign;kinematicsanddynamics
-III-
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文
摘要.................................................................................................................
I
ABSTRACT......................................................................................................
II
第1章绪
论..................................................................................................
1
1.1
课题研究的目的和意义..........................................................................
1
1.2
下肢助力外骨骼研究现状......................................................................
2
1.2.1国外下肢助力外骨骼研究现状.......................................................
2
1.2.2国内下肢助力外骨骼研究现状.......................................................
8
1.3
课题的主要研究内容..............................................................................
9
第2章下肢助力外骨骼机械驱动系统设计...................................................
10
2.1
引言
.......................................................................................................
10
2.2
人体下肢运动机理研究........................................................................
10
2.3
拟人结构设计要求................................................................................
13
2.4
外骨骼机械结构设计............................................................................
13
2.4.1自由度分配及关节设计..................................................................
13
2.4.2各自由度运动范围设计..................................................................
15
2.4.3
外骨骼连杆机构设计......................................................................
16
2.5
静力学分析与强度校核........................................................................
18
2.5.1
机构受力分析.................................................................................
18
2.5.2
关键零部件强度分析......................................................................
19
2.6
驱动系统设计........................................................................................
20
2.6.1
驱动关节设置.................................................................................
20
2.6.2
驱动器选择及布置.........................................................................
21
2.6.3
液压系统方案设计.........................................................................
22
2.7
本章小结...............................................................................................
23
第3章下肢助力外骨骼运动学及动力学分析...............................................
24
3.1
引言
.......................................................................................................
24
3.2
下肢助力外骨骼运动学分析.................................................................
24
3.2.1
外骨骼位置分析.............................................................................
24
-IV-
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文
3.2.2
外骨骼速度分析.............................................................................
27
3.2.3
外骨骼加速度分析.........................................................................
28
3.3
下肢助力外骨骼动力学分析.................................................................
29
3.4
本章小结...............................................................................................
32
第4章下肢助力外骨骼传感系统研究...........................................................
33
4.1
引言
.......................................................................................................
33
4.2
传感系统整体方案................................................................................
33
4.3
足底压力信息采集系统的设计.............................................................
34
4.3.1
人体行走步态分析.........................................................................
34
4.3.2压力传感器的选型与压力鞋的设计...............................................
35
4.3.3
压力传感器的标定.........................................................................
37
4.4
下肢关节位置传感器设计.....................................................................
41
4.5
本章小结...............................................................................................
41
第5章下肢助力外骨骼仿真分析与实验研究..................................................
43
5.1
引言
.......................................................................................................
43
5.2
下肢助力外骨骼仿真分析....................................................................
43
5.2.1
仿真模型的建立.............................................................................
43
5.2.2
外骨骼仿真分析.............................................................................
44
5.3
下肢助力外骨骼实验研究....................................................................
46
5.3.1外骨骼穿戴运动及其舒适性实验..................................................
46
5.3.2
关节信息采集实验.........................................................................
48
5.3.3
步态信息采集实验.........................................................................
49
5.3.4
外骨骼驱动实验.............................................................................
51
5.4
本章小结...............................................................................................
53
结论...............................................................................................................
54
参考文献...........................................................................................................
55
攻读学位期间发表的学术论文..........................................................................
58
哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明....................................
59
致谢...............................................................................................................
60
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文
01章绪论
1.1课题研究的目的和意义
近年来，关于仿人型机器人的科学研究已经成为机器人研究领域的热门方向，其研发水平取得很大的进步，研制了各式各样、不同用途的仿人型机器人，并已经将其应用到实际中。
随着研究的更深入发展，人们发现，受现有控制方法和工程实现水平的局限，仿人型机器人有其严重的缺陷，如缺乏人的灵活性等，这就导致在很多环境和场合下仿人机器人无法完成任务。
这样，人们就思考，假如将二者所拥有的优势进行结合，在完成一项任务时，人类提供智慧，机器人支持力量供给，这样会解决现有难题，更有效率地完
成任务。
因此科学界开始着力研制一款人机优势有效结合的外骨骼装置，这就是外骨骼机器人[1]。
外骨骼机器人的开发与研究的目的是为了增强拓展人类的能力。
就像汽车的出现是人类提高运动能力需求的结果，望远镜是对了提高人的视觉能力，计算机则提高了人类的计算分析能力，外骨骼机器人是为了提高人类的承载能力，使人能背负重物远程行走。
在高山密林地势险峻地带，机械车辆不能运行，或者是不利于轮式装置的阶梯型地带，重物就需要人来背负。
而穿上外骨骼机器人背负重物远行不再是不可解决的难题。
在军事领域，士兵的装备越来越先进，随之而产生的问题就是装备体积及重量的增大。
这样，士兵的负重能力已成为单兵装备发展的核心部分。
所以适用于士兵穿戴的外骨骼机器人研究成为各种军方研究的重要部分。
通过穿戴外骨骼，士兵的装备重量可以通过外骨骼结构
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