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下肢助行外骨骼机器人的研发和机构优化

李利涛  
【摘要】:近年来,我国老龄化问题越来越严重,其中因正常衰老导致下肢运动受到影响的人群越来越庞大,还有很大一部分人因各种疾病等致使下肢力量不足而影响正常的行走。在此背景下,针对下肢肢体力量不足的助行助力机器人成为了研究的热点。本文针对传统外骨骼束缚多的不足,提出了一种体重支撑型的下肢外骨骼助行机器人,在行走过程中,一方面提供指向穿戴者重心的支撑力,通过减轻体重对下肢各关节的“负担”来达到辅助行走的目的;另一方面提供抬腿助力,辅助穿戴者实现迈腿动作。本文从系统的结构设计、系统动力学、机构的优化、样机试验等方面进行了研究。分析研究了人体下肢各关节的自由度、下肢各部分的尺寸长度以及惯性参数,为设计下肢外骨骼提供了依据。建立了人体简化模型,采用拉格朗日方程的方法推导了髋关节和膝关节的力矩表达式,并用MATLAB软件计算了人体的关节力矩,得出了髋关节和膝关节的力矩变化曲线,根据力矩变化曲线分析出了行走的最佳助力阶段和最需助力关节。分析了人体在行走过程中的受力,得出通过减小人体对地面的作用力可以减小人体下肢的内力的结论,从助力方式的角度对下肢外骨骼的本体结构初步设计,提出了一种少束缚体重支撑型的下肢助行外骨骼机器人,减少了绑带对穿戴者的束缚,大大提高了穿戴的舒适性。对机构进行强度和刚度校核,保证了下肢助行外骨骼机器人使用的安全性。建立了人机系统简化模型,并进行了动力学分析,推导出了动力学方程,利用Adams软件对系统行走仿真,得出下肢各关节的力矩变化曲线,与未穿戴下肢助行外骨骼机器人时的理论计算结果作比较,结果证明穿戴下肢助行外骨骼机器人可以减小行走过程中的关节力矩,下肢助行外骨骼机器人有一定的助力效果,但是行走周期有所延长。基于动力学分析,建立优化模型,对下肢助行外骨骼机器人的腿长进行了优化,对其它关键部件作了拓扑优化,优化后下肢助行外骨骼机器人的整体质量减小,助力效果明显提高,与同类外骨骼相比,助力效果要理想。对样机进行了行走实验,从穿戴舒适性、实际助力效果和跟随性角度设计相应的试验,通过分析实验数据,验证了下肢助行外骨骼机器人的穿戴舒适性,实际助力效果和系统跟随性良好。


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