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下肢外骨骼机器人结构可拓设计与仿真研究

廖勇强  
【摘要】:下肢外骨骼机器人(LEER)是一种用于支撑人体重量、提高人体运动能力和节约人体体力的服务型机器人。与其他机器人不同,LEER必须在人穿戴的情况下才能实现它的作用。随着机器人技术的发展,国内外对LEER的研究越来越得到重视,该装置也成为了多数国家战略性研究项目。本文首先分析了LEER研究领域存在的关键技术问题,提出了一种融入Kano需求模型与动力学设计原理的新的可拓设计方法。将该方法应用到LEER结构的概念设计中,体现了可拓设计方法在产品设计上定性与定量分析相结合的优势。本文的主要研究工作及创新点如下:1.首次将可拓设计方法应用到LEER结构设计领域,用可拓设计方法的形式化模型描述对象,用可拓变换方法来解决设计中的矛盾问题,对于LEER结构设计常用的静态仿生设计与动力学模拟方法而言,具有可操作性强、便于软件化的优势;2.应用Kano需求模型对产品设计的潜在用户需求进行分析与分类,结合专家意见,能更加直观的得到不同需求在用户心目中的满意度,为进一步的产品设计提供了数据支撑,也为可拓设计方法的拓展分析与可拓变换提供了客观参考,减少了变换的冗余率;3.将动力学设计原理融入到可拓设计方法中,提出了一种结构类产品设计的收敛评估方法。首先,对基元对象进行拓展分析与可拓变换,之后,应用运动学与动力学设计原理对多个基元方案进行收敛,其中得到的最优方案作为可拓较优解方案,该收敛方法对解决人机交互设备的设计有一定的实用性;4.设计了一款LEER自适应座椅装置,该装置能够帮助下肢截瘫患者在穿戴下肢外骨骼机器人的情况下完成起立与坐下动作。该装置具有结构简单、适应性强、稳定性高、传动效率高等特点。5.对本文中获得的概念设计模型进行了虚拟样机ADAMS仿真分析和样机实物的实验,验证了本方法的正确性。在本文的结论部分说明了本文的主要研究工作和创新之处以及有待进一步研究的问题。本研究为LEER结构的设计提供了一种新的思路,从定性与定量的角度来分析LEER,用可拓变换的方法来解决LEER设计过程中的矛盾问题。本方法结合了动力学设计原理和优度评价方法来评估各个方案,使得LEER可拓概念设计客观性更强,具有一定的前沿性。


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