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外骨骼机器人下肢增力机构设计和仿真研究

王珺  
【摘要】:外骨骼机器人下肢是一种可穿戴的人机交互设备,将外骨骼的机械承力刚度和穿戴者的自由行动意图合二为一的现代化产品。它能在救灾、格斗、国防、工业等诸多领域起到关键作用,让人体的运动能力得到增强,提高穿戴者的运动机能指标。本文的研究针对外骨骼通过机械来增能的细分领域,运用人机工程学和机械电子工程学科的科学研究方法,通过对人体下肢解剖学的研究合理安排自由度以及提取外骨骼的尺寸数据,最终创新性的设计并验证了一套能实现增能的外骨骼下肢机械结构。同时配合外骨骼设计了控制系统,采用Arduino控制板作为控制中心,电位器进行感应,通过离散化电位器的输出电压,对应控制电缸的脉冲数来适应相应外骨骼部位的运动。外骨骼模拟人行走步态,通过D-H矩阵方程建立下肢摆动角度值和机器人运动位姿的关系,运用Adams软件进行动力学和运动学仿真,避免工程上不必要的损失,制作了左髋关节样机,并且设计并进行了表面肌肉电信号验证实验对外骨骼的有效性进行评估。外骨骼机器人下肢样机的机械结构和控制系统都经过反复的运行使其能够在一定使用次数内保持功能稳定。外骨骼的控制核心Arduino单片机通过硬件系统,能够在较小的响应时间内产生外骨骼相应的运动。本文为采用机械机构实现提高外骨骼下肢增能性能的有效性提供了有益的参考,起到拓宽外骨骼机器人下肢研究思路的作用。


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