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助力式下肢外骨骼机构设计与分析.pdf

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助力 下肢 骨骼 机构 设计 分析
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分类号:TP24.2密级:(秘密、机密、绝密)学校代码:10057研究生学号:09814007助力式下肢外骨骼机构设计与分析The Structure Design and Analysis ofAssistant Lower LimbExoskeletons专业名称:机械设计及理论指导教师姓名:张峻霞教授研究生姓名:杨喜飞申请学位级别:工学硕士论文提交日期:2012年3月论文课题来源:国家自然科学基金(50975204)学位授予单位:天津科技大学天津科技大学学位论文原创性声明本人郑重声明:所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究工作所取得的成果。除文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果内容,也不包括为获得天津科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。对本文研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名:秒奄毒u~. }日期:加11,年弓月6日知识产权和专利权保护声明本人郑重声明:所呈交的论文是本人在导师具体指导下并得到相关研究经费支持下完成的,其数据和研究成果归属于导师和作者本人,知识产权单位属天津科技大学;所涉及的创造性发明的专利权及使用权完全归天津科技大学所有。本人保证毕业后,以本论文数据和资料发表论文或使用论文工作成果时署名第一单位仍然为天津科技大学。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名:檄砂一日期:沙协年弓月么日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,同意公布论文的全部或部分内容,允许论文被查阅和借阅。本人授权天津科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密 口 (请在方框内打“√”),在 年解密后适用本授权书。本学位论文属于 /不保密囱(请在方框内打“√”)o作者签名:寸≮)丢谤 日期:矽协年乡月占日导师签名:丸修砟日期:纱f≯年乡月摘要本论文在研读了大量国内外文献的基础上,总结了下肢外骨骼的主要研究内容和所需解决的关键问题,在人机工程学,人体解剖学和运动学的基础上,分析了人体下肢模型、人体行走运动学特征,然后通过拉格朗日方程建立和求解了下肢动力学方程,结合MATLAB和ADAMS进行动力学模型仿真计算,为下肢外骨骼的设计提供了基础。本文重点讨论了下肢外骨骼的机械结构设计原则,对外骨骼机械结构进行运动学分析,论述了外骨骼自由度选取、关节布位及总体设计方案。按照人机工程学理论,对下肢外骨骼方案进行了详细的结构设计,并基于三维参数化软件CATIA建立了外骨骼三维模型,而且通过正常步态和负重步态实验获取了相关的运动参数。将参数经MATLAB曲线拟合后,和人体实际运动情况进行比较,作为MATLAB和ADAMS仿真的输入信号,得出负重行走运动所需的力矩等参数,为驱动系统选型及运动控制打下基础。在完成上述研究的基础上,对下肢外骨骼进行了受力分析,首先分析外骨骼的工作状况及在不同工况下的负载,并依此为依据,对外骨骼的关键零部件进行了有限元分析和强度校核。通过分析,限制下肢外骨骼负重能力的主要因素是其驱动系统而不是外骨骼的结构强度。本文设计的下肢外骨骼结构合理,重量轻,具有较好的加工可行性,为外骨骼的产品化奠定了基础。同时本文设计的助行器系统是通过提取正常人体的运动信息来进行控制,是一种具有双足步行特征的典型人机一体化系统,也为类外骨骼的相关研究化奠定了基础。关键词:下肢外骨骼;结构设计;仿真分析;助力设备;有限元分析ABSTRACTThis paper is completed on the study of the domestic and foreign literatures,and hassummarized the lower limbs exoskeletons research contents and the key problems that needto be resolved.On the basis of the analysis of the human engineering,human anatomy andkinematics,the human lower limbs model,and the human body lower limbs walkkinematic features,the dynamics equation of lower extremities have set up and solvedthrough the Lagrange.Combined with MATLAB and dynamic simulation calculationmodel ADAMS,the foundation of the lower limbs exoskeletons design have beenprovided.The design principles of the lower limbs exoskeletons mechanical structure arediscussed in the paper'the kinematics analysis of the exoskeletons mechanical structure.the setting of freedom and joints and total design solution—tms of exoskeletons are alsofinished in this paper.According to the human engineering theory,a detailed exoskeletonsstructure scheme have been designed,and established a 3D exoskeletons model based on3D parametric CATIA software.We got the related movements parameters by comparingthe normal gait and weight gait experiments.The parameter fitted by MATI_AB and thencontrasted to human body actual movement,as MATLAB and ADAMS simulation of inputsignal,and concluded the torque needed to do walk movement for drive system selectionand motion contr01.After completed the study above,the thesis have done the exoskeletons force analysis,analysed the working conditions of the exoskeletons,and calculated the exoskeletons loadsunder different conditions.According to this as the basis,we finished finite elementanalysis and intensity of the exoskeletons key parts.Through the analysis,we know thatlimited the lower exoskeletons weight capacity is the driving system and not theexoskeletons structure strength.In this paper the design of the lower limbs exoskeletons structure is reasonable,lightweight,and has a good processing for the production of exoskeletons.As a kind of typicalman·machine system with walking characteristics,we extracted the normal human bodymotion information to control the system and that provided the foundation for theexoskeletons research.Key words:Lower limbs exoskeletons,Assistance,Finite—element analysisStructural design,Simulation and analyze,目 录1绪论………………………………………………………………………………………………………………11.1课题的来源及研究目的、意义………………………………………………………一11.2国内外研究现状与分析………………………………………………………………·11.2.1国外研究现状………………………………………………………………………·21.2.2国内研究现状………………………………………………………………………61.3下肢外骨骼技术难点分析………………………………………………………………71.4论文主要完成工作……………………………………………………………………·72人体下肢解剖学及步态分析与研究…………………………………………………一82.1弓I言…………………………………………………………………………………………………………………82.2人体下肢解剖学………………………………………………………………………”82.2.1人体下肢关节骨骼…………………………………………………………………·92.2.2人体下肢肌肉………………………………………………………………………一92.3人体行走机理和步态分析……………………………………………………………一102.3.1人体行走机理分析………………………………………………………………·102.3.2人体正常步态及其分析……………………………………………………………112.4负重行走对步态的影响………………………………………………………………·122.5人体下肢各关节运动范围及特点……………………………………………………132.6外骨骼设计要求………………………………………………………………………142.7本章小结………………………………………………………………………………”143下肢外骨骼理论模型研究………………………………………………………………153.1引言………………………………………………………………………………………………………………·153.2下肢外骨骼机械结构设计原则………………………………………………………153.3下肢外骨骼理论研究………………………………………………………………….153.3.1运动副与关节设定………………………………………………………………”153.3.2外展内收结构分析…………………………………………………………………183.4驱动方式确定…………………………………………………………………………193.4.1驱动布置……………………………………………………………………………193.4.2驱动方案比较选择…………………………………………………………………203.5控制策略简述…………………………………………………………………………203.6本章小结………………………………………………………………………………214人体行走模型运动学动力学仿真分析及计算………………………………………224.1引言……………………………………………………………………………………………………………….224.2人体行走运动学实验及分析………………………………………………………….224.3人体行走动力学仿真及计算…………………………………………………………244.3.1下肢骨骼的动力学仿真………………………………………………………….244.3.2下肢外骨骼的动力学分析及计算………………………………………………”274.4本章小结………………………………………………………………………………335助力式下肢外骨骼总体方案设计……………………………………………………345.1弓I言………………………………………………………………………………………………………………·345.2助力式下肢外骨骼方案设计…………………………………………………………345.2.1任务说明…………………………………………………………………………”345.2.2外骨骼结构方案及工作原理……………………………………………………”355.2.3下肢外骨骼模型设计……………………………………………………………·365.2.4外骨骼设计………………………………………………………………………“375.2.5关节限位装置设计………………………………………………………………一415.3驱动系统设计…………………………………………………………………………425.3.1驱动系统布置…………………………………………………………………………425.3.2驱动系统运动与行程的确定………………………………………………………·425.3.3驱动电机选择及计算……………………………………………………………·435.3.4换向器初步设计…………………………………………………………………”455.4外骨骼佩戴装置设计…………………………………………………………………475.5本章小结………………………………………………………………………………476助力式下肢外骨骼有限元分析………………………………………………………486.1前言………………………………………………………………………………………………………………·486.2下肢外骨骼的受力分析………………………………………………………………486.2.1外骨骼各种工况分析……………………………………………………………·486.2.2外骨骼各种工况受力分析…………………………………………………………496.3助力式下肢外骨骼的有限元分析……………………………………………………516.3.1 ANSYS简介……………………………………………………………………………………………516.3.2小腿杆的有限元分析……………………………………………………………”516.3.3其他部件有限元分析……………………………………………………………一526.3.4强度极限分析……………………………………………………………………一536.4本章小结………………………………………………………………………………547总结与展望……………………………………………………………………………·557.1本论文的研究成果……………………………………………………………………557.2进一步的研究工作展望………………………………………………………………558参考文献………………………………………………………………………………·579攻读硕士学位期间的主要研究工作及科研成果……………………………………一6210致谢………………………………………………………………………………………………………………63II天津科技大学硕士学位论文1绪论1.1课题的来源及研究目的、意义本课题来源于国家自然科学基金50975204:基于滑跌事故预测模型的助行器行走稳定性研究。目前传统轮式交通工具是远行与负重的主要方式,但是它对路面环境等要求较高,很多领域仍然无法有效进入,比如在军事、科考、消防营救等领域【¨。在这些领域中,负重行走能力极为重要。虽然机器人技术在某些领域中有了长足的发展和应用,但还达不到人的智力水平,包括决策能力和对环境的感知能力【2l。与此同时,人类所具有的智能是任何生物和机械装置所无法比拟的,人所能完成的任务不受人的智能的约束,而仅受人的体能的限制。因此,将人的智能与机器人所具有的强大的机械能量结合起来,综合为一个系统,将会带来前所未有的变化,而外骨骼正是这样一种综合系统13J。研制穿戴式外骨骼机构为穿戴者提供充足的力量和耐力来增强的长距离行走和负重等能力,从而达到完成一些特殊任务的要求【4】。可穿戴外骨骼由于其自身的军事和商业应用价值,已成为近年来国内外学者的一个重点研究方向。人体下肢外骨骼,既能做民用辅具,也可以作为军用装备【51。下肢外骨骼可以协助可帮助消防队员在消防救火中背负沉重的消防器材、帮助建筑工人搬运重物,也可以帮助部队完成负重急行军任务。例如美国研发的行走外骨骼装置“Spring walker“能够使佩戴者最高行走速度达56公里/小时,不论是在军用还是民用方面都有相当大的用途和前景16J。本论文以步态分析为基础,以辅助正常人负重行走为设计目的,对助力式外骨骼进行研究,课题的研究脉络为:首先分析人体行走时下肢的活动特性;其次对人体行走特征参数的试验、提取、分析;然后进行人体下肢行走运动学动力学分析及仿真;然后进行下肢助行器总体方案设计;最后对外骨骼进行强度分析及设计改进。根据对人体行走参数的分析,研究了助行器的设计方案及步态控制方法。通过对人体在正常和负重状态下的步态、生理参量、运动参数、身体姿态的研究,分析人体行走(负重行走)时的运动学动力学特征。从而为外骨骼的仿生结构设计提供理论支撑,指导外骨骼及类人型机器人的机构设计和行走控制,为实现真正意义上的辅助步行功能奠定坚实的理论基础。1.2国内外研究现状与分析动力式下肢外骨骼的出现是现代科学技术进步与人体康复需求相结合的成果,然而,随着外骨骼的拟人性设计、结构舒适性设计、微型电机、控制技术、新材料等技术的发展,动力式外骨骼的应用领域也发生了变化,不在局限于下肢瘫痪者的康复使用,在辅助正常人负重行走等军用或民用方面也有广泛的应用前景【71。目前研究的外骨骼系统只涉及到人体的外部功能,如运动功能、协调功能、’平衡功能等,与人体1绪论有关内脏无相关性【8J。1.2.1国外研究现状外骨骼(E X O S k e le t O n)这一名词来源于生物学,其概念是指为生物提供保护和支持的坚硬的外部结构【引。下肢外骨骼是从人机一体化智能系统理论的观点出发的一种新型的具有可穿戴性能的机械装置,能够辅助人体站立与行走。从外骨骼的发展状况分析,下肢外骨骼从有无动力源上可划分为2类:(1)带动力源的(自给式)下肢外骨骼,即由人体外部动力驱动的外骨骼装置,如液压驱动,电机驱动等,这类外骨骼本身带有控制和驱动系统,有的甚至能像机器人一样实现自主行走【10J;(2)无动力源下肢外骨骼,指无外部驱动力源,使用者可以利用自身的体能操作来进行驱动的外骨骼装置,这类外骨骼装置的设计都极为巧妙,能够不依靠外力强化人体输出的作用力或者能起到很好的支撑保护作用【11J。人体外骨骼助力机器人起源于美国1966年哈德曼助力机器人的设想及研发,而从20世纪60年代起,南斯拉夫等国也开始了动力式步行机械装置的研究,并研制出了采用气压和液压驱动的步行装置样机,到今天助力外骨骼仍处于研发阶段【l 21。在对这些设备的研究中,日本和美国走在世界前列。日本筑波大学研发的HAL系列外骨骼机器人(图1-1),主要面向高龄护理、残疾人辅助、消防及警察等危险作业的用途【13J。它主要由无线LAN(局域网)系统、电池组、电机及减速器、传感器(地板反应力传感器、表面肌电传感器、角度传感器)、执行机构等组成,动力传动采用电机.减速器-夕}、骨骼机构的方法。能够根据人体的动作意愿自动调整装置的助力大小。蹩锋霉靛曼≯暂 l燃鬻盈r.雯嚣耄蓥墨羁甍黛瓣,I■■ .≈t 篙釜玉&图1-1日本HAL外骨骼系统Fig.1—1 HAL exoskeleton of Japan天津科技大学硕士学位论文此外,如图1—2所示,日本的神奈川理工学院研制的“动力辅助服”(PowerAssistSuit)R--种全身性外骨骼机器人,可使人的力量增加0.5-1倍,该机器人通过采用肌肉压力感测器来分析使用者的运动状况,然后再通过复杂的气压传动装置来增加人的力量【141。鼍图1-2日本“动力辅助服”Fig.1—2 The Japanese PowerAssist Suit早在2000年美军就开始从事“增强人体机能的外骨骼”(EHPA)项目的研究,计划研制出一种可穿戴型机器外骨骼,用于提高军人在军事作战方面的能力。美国伯克利大学军方合作项目.外骨骼助力机器人士兵服,即伯克利下肢外骨骼(BLEEX,Berkeley Lower Extremity Exoskeleton,图1.3),就是EHPA研究计划的成果之一【12,15】。该外骨骼尝试将自动机械支柱与人的双腿相连,以降低负重,从而使步兵能够在负载更重的情况下行进更长的路程。这套设备主要由燃料供给及发动机系统、控制及检测系统、液压传动系统及外骨骼机构组成,使用这种装置的人要通过传动带将自身的腿与机械外骨骼的腿相连,背上要背一个装有发动机、控制系统的大背包,背包中同时还留有承载有效载荷的空间。动力传动过程为:发动机.液压系统-夕h骨骼机构。该装置能自主平衡设备的自重(有50千克),使人穿着时无明显的负重感;该装置的背包还能够负载32千克的重量,而对使用者而言,则只感觉像是背了2千克一样;这种装置除了帮助士兵外负重行军以外,还可以协助医疗人员将伤员撤离危险地区或使消防员能够携带很重的设备攀登上更多的楼层【12,15】。另外,由美国国防部高等研究计划局(DARPA)的Steve Jacobsen博士也进行了有关外骨骼研发的项目研究,其得意之作.机动外骨骼“XOS”,如图1—4,属于全身外骨骼,是机械外骨骼领域最新技术成果,被认为是助力外骨骼机器人的最新水平【16】。该项目也是美国军事合作的项目之一。它的控制策略同BLEEX一样,通过检测系统和微机系统判断人的下一个动作,从而决定加给人体多大的助力及速度,并且也是通1绪论过液压系统将力传给外骨骼机构。与以往的外骨骼相比,“XOS”外骨骼动作敏捷并且强而有力。利用附在身体上的传感器,可以毫不延迟地反应身体的动作,输出强大的作用力,当穿上“XOS”外骨骼时,能举起90.7kg的重物而人体感觉只有9千克,并能连续举放50.500次,但遗憾的是,“XOS”外骨骼自带的电池只能使用40分钟,较大的限制了其实用化进程【161。图1-3 BLEEX系统Fig.1—3 The BLEEX system图1—4“XOS”系统Fig.1—4 The“XOS”system2007年,德国柏林自由大学和柏林慈善医院等共同研发出触觉行走者(Hapiticwalker),该装置是一种帮助中风患者锻炼下肢,从而恢复其行走功能的新型康复机器人,该装置主要包括两套步态行走机构,行走机构与电脑相连,通过计算机控制,康复机器人带动患者下肢进行行走康复训练等模拟训练,如图1.5所示为Hapitic walker康复机器人【171。图1-5德国Hapitic walkerFig.1—5 The German Hapitic walker图1-6瑞士Lokomat康复机器人Fig.1—6 The Lokomat robot如图1-6所示,为瑞士苏黎士联邦工业大学(E'rI-I)在汉诺威2001年世界工业展览会上展出了名为Lokomat康复机器人,该Lokomat康复机器人采用吊绳来作为减重装置, 机器人腿部设计有特定的行走机构,分别作用于患者的大腿,小腿,脚踝,可
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