【摘 要】
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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
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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角位移、角速度、角加速度及末端轨迹,验证步态规划的可行性与正确性,并得出所设计下肢助力外骨骼具有良好穿戴舒适性和较高实用性的特点。本文设计研究的下肢助力外骨骼主要特色有:关节结构采用柔性化设计,穿戴贴合人体结构,具有穿戴舒适性高的优点;髋关节与膝关节驱动结构采用液压缸与气缸拟人平衡机构,具有驱动力矩大和运行稳定的优点;依据人体实际步行姿态进行规划设计,具有拟人化程度高的优点。
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