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髋关节助力机器人外骨骼研究
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  • 更新时间2019-05-30
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  • 本文提出了一种新型的基于串联弹性执行器(Serial Elastic Actuator)的髋关节助力机器人外骨骼主要用于辅助穿戴者行走?#26723;?#31359;戴者的行走负担提高其下肢运动能力和负重能力同时尽可能的?#26723;?#23545;穿戴者本身行走平衡的影响
    首先对人体行走的步态规律进行了探究总结出正常步态周期内髋关节的生物特性和动作特点在此基础上得到了髋关节辅助外骨骼需要具?#26800;?#29305;征和要求
    然后对串联弹性执行器的结构模型进行了分析通过其模型推导出传递函数并据此对其性能进行了分析
    接下来设计出了符合需求的基于串联弹性执行器的髋关节助力机器人外骨骼每个执?#26800;?#20803;采用模块化设计和串联弹性执行器使其具有较高的扭矩重量比同时?#26723;?#23545;穿戴者本身行走平衡的影响
    最后使用Creo建立三维结构模型在Ansys中进行应力分析验证了其承载能力符合要求在Adams/View中进行了仿真得到其动力学特征目 录
    摘 要 3
    ABSTRACT 4
    1 绪论 7
    1.1 研究的背景与意义 7
    1.2 国内外的研究现状 7
    1.3 本文主要研究的问题 11
    2 人体行走时的髋关节步态规律特征 12
    2.1 人体髋关节的结构模型 12
    2.2 髋关节的正常生物特性 13
    2.3 髋关节的运动学和动力学特征 15
    3 串联弹性执行器的结构原理及特征 17
    3.1 SEA概述 17
    3.2 SEA模型推导 18
    3.3 SEA模型分析 19
    4 髋关节助力机器人外骨骼设计 22
    4.1 髋关节外骨骼基本性能要求 22
    4.2 髋关节外骨骼机械结构 23
    4.2.1 串联弹性执行器 24
    4.2.2 平衡稳定器 27
    4.2.3 髋距调节器 30
    4.3 髋关节外骨骼有限元分析 31
    4.3.1 弹性元件 31
    4.3.2 扭力弹簧与谐波减速器之间的连杆 34
    4.3.3 扭力弹簧与力矩传感器之间的连杆 34
    4.3.4 壳体 35
    5 髋关节外骨骼动力学仿真 36
    5.1 仿真前期准备 36
    5.2 仿真结果与分析 38
    6 总结与展望 40
    6.1 文章总结 40
    6.2 后期展望 41
    参考文献 42
    致 谢 44


    1绪论
    1.1研究的背景与意义
    随着老年人口比例的上升社会问题日益严重2015年世界人口在60岁以上的比例为12.3但到2050年预计为21.5人口老龄化将?#26723;?#28508;在支持率PSR潜在支持率指20 至64岁人口数量除以65岁及以上人口数量到2050年7个亚洲国家24个?#20998;?#22269;家和4个其他国家的PSR可能低于2由于缺乏年轻的劳动力老年人口保持独立生活方式至关重要然而年老的肌肉力量灵活性和平衡性都会?#26723;͡?#36825;些长久保持坐姿的生活方式和活动?#21487;?#25152;导致的肌肉损伤极大的加剧了老年人腿?#32771;?#30149;的发生率为了帮助老年人走得更远从而使他们能够过上更自由和独立的生活许多研究人员正在开发外骨骼型可穿戴设备
    目前设计的外骨骼缺乏提供维持穿戴式外骨骼?#20302;?#27178;向稳定性的功能对于单自由度的外骨骼当穿戴者行走时其平衡维持需要借助拐?#28982;?#21161;行器不适?#20808;?#20855;有一定运动能力的人使用而多自由度的外骨骼由于增加了驱动数量?#19981;?#23384;在体积和重量增大为人们的正常行走带来较大负担因此如何设计和控制一种能够?#34892;?#25903;持穿戴者同时不影响其行走稳定性的外骨骼?#20302;常?#20173;然是一个悬而未决的问题
    1.2国内外的研究现状
    Francesco Giovacchini等人于2015年研究了一种髋关节外骨骼辅助装置该装置由一个水平的C形框架作为支架围绕使用者的臀部和骨盆的后部并通过三个矫形外壳两个侧面和一个后面与身体躯干连接; 支架承载两个驱动单元如文献[1]所述该结构采用两个2.5毫米厚的碳纤维横臂实现通过后直杆连接后方放置外部导向装置其中两个内部杆可以滑动然后可以调节杆的长度以匹配两个侧向外壳之间的距离以确保支架在内-外侧?#36739;?#19978;紧密地附接到上半身两个滑动杆可以通过一个快速分离销锁定并使用丝杠机构细微地调整为了进一步使穿着过程更容易结构也可以完全分成两部分右和左 由于水?#38477;?#33410;人体和机器人髋关节屈伸轴和支架?#34892;?#36724;和导轨的垂直位置对其此外后方外壳固定在后杆上并通过螺钉机构进?#26800;?#33410;以贴合人体腰?#22771;?#22495;正确传递辅助扭矩外骨骼具有一个主动自由度驱动单元为串联弹性执行器以获得较高的扭矩重量比整个子?#20302;?#24635;重?#35838;?.8千克在控制策略方面上层采用了Ronsse等人在最近的工作中提出的一种无模型(它不需要任何关于步态动力学的先验知识)算法该算法利用自适应振荡器(AOs)为LOPES外骨骼用户提供髋?#22771;?#20280;辅助底层则采用基于扭矩的PID闭环控制

    图 1.1 髋关节外骨骼辅助装置
    三星高级技术研究所开发了一种髋关节外骨骼如图 1.1所?#23613;?#23427;设计用于在髋关节的伸展和屈曲中提供辅助扭矩它轻巧纤薄舒适且功能强大外骨骼由一对驱动器组成这些驱动器为左右髋关节产生辅助力腰部有一个髋关节支撑一对大腿支撑架将助力扭矩从执行器传递到大腿背面包括电池和CPU 的电子组件外骨骼的重量减少到2.8千克两个70瓦BLDC电机安装在髋关节附近以产生辅助扭矩产生的扭矩通过751多级齿轮?#20302;?#20256;递到每个关节没有肌腱或弹性元件每个关节在矢量平面上具有1个活动自由度DOF在活动DOF下方具有1个用于外展/内收的被动铰?#30784;?#36816;动范围是45 /1200臀部支架使用工程塑?#29616;?#25104;并涂有碳纤维结构灵活当内带?#20302;?固定时它可以紧紧贴合骨盆支架由多个部件组成以便可以调节腰部和臀部周围的宽度以适合不同...
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