下肢助力外骨骼關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、隨著科技的不斷發(fā)展，機器人技術(shù)已取得了巨大進步，但是，目前的人工控制算法控制機器人動作的能力，還遠遠落后于人類通過自然進化擁有的對自身行為控制的能力，并且機器人的動作靈敏性與反應速度也不如人類，但機器人也有自身的優(yōu)點，它能夠比人類承擔更多的負載且能長期作業(yè)。本課題研究的下肢助力外骨骼，則結(jié)合了人與機器人的優(yōu)點，把人與機器人組合在一個系統(tǒng)里，充分發(fā)揮人的動作導向能力與機器人承擔負載的能力。此下肢助力外骨骼機構(gòu)能被穿戴者穿在身上，并時刻保持

2、與穿戴者一致的行走動作，像人體的外骨骼一樣代替人體承擔外部負載，從而達到行走助力的目的。為了緩解大負重、長距離行走引起的下肢傷痛問題；人口老齡化日益加劇帶來的社會問題；及由于交通、地震災害等引起的下肢傷殘等問題；故對此種人機一體化的下肢助力外骨骼系統(tǒng)進行研究具有重要的意義，且將具有廣泛的應用前景。
　　 全文貫穿了理論分析和技術(shù)實現(xiàn)兩個基本問題，涉及多個研究領(lǐng)域，主要內(nèi)容如下：
　　 1．基于人體測量學理論，進行了人體行

3、走運動學的研究。搭建人體運動圖像采集分析系統(tǒng)。運動圖像采集系統(tǒng)由分布在四周的高速攝像機及粘貼在測試者關(guān)節(jié)部位的發(fā)光標記點組成。通過對相機標定、標記點的捕捉、識別及標記點的三維重建，獲得行走過程中人體關(guān)鍵部位處的標記點空間坐標值，進而求解出行走過程中下肢關(guān)節(jié)角度變化、下肢各部分的質(zhì)心軌跡等運動學信息。進行不同行走條件下的人體運動實驗，對其運動學實驗結(jié)果進行分析。
　　 2．建立人體下肢動力學模型，結(jié)合人體行走運動學研究結(jié)果及足底力

4、測量系統(tǒng)檢測出的足底力、力矩信息，求解出人體下肢各關(guān)節(jié)在行走過程中的關(guān)節(jié)力矩及功率。編制的步態(tài)分析系統(tǒng)軟件，實現(xiàn)了人體行走運動棍棒圖的再現(xiàn)，并輸出行走過程中下肢各關(guān)節(jié)的動力學信息。結(jié)合搭建的實驗平臺，進行了不同行走條件下人體運動實驗，并對其動力學實驗結(jié)果進行分析，為下肢助力外骨骼設(shè)計提供了理論基礎(chǔ)。
　　 3．基于人體行走運動學及動力學研究結(jié)果，進行下肢助力外骨骼的仿生機構(gòu)設(shè)計。人體行走運動矢狀面內(nèi)的髖關(guān)節(jié)平均功率為正值，表明髖

5、關(guān)節(jié)需要進行主動驅(qū)動，故設(shè)計的外骨骼樣機髖關(guān)節(jié)采用電機帶動絲杠螺母進行驅(qū)動；膝關(guān)節(jié)在平地行走過程中的平均功率為負值，則主要起被動作用，故設(shè)計的樣機膝關(guān)節(jié)為一被動關(guān)節(jié)；踝關(guān)節(jié)在行走過程中有正功、負功，且在平地、慢速行走條件下，正負功基本相等，故設(shè)計的樣機踝關(guān)節(jié)采用彈簧進行驅(qū)動；著制作了實物樣機試驗系統(tǒng)。針對已設(shè)計研制出的樣機存在的問題，提出了改進方案，給出了改進后下肢助力外骨骼各關(guān)節(jié)三維造型圖。
　　 4．針對下肢助力外骨骼行走步

6、態(tài)周期內(nèi)的三種行走模式，即單腳支撐（一腳為全腳掌著地、另一腳擺動）、雙腳支撐(兩腳均為全足掌著地）、一腳虛觸地的單腳支撐（一腳為全腳掌著地，而另一腳非全腳掌著地，如腳跟著地、腳尖蹬離地面時刻），分別采用拉格朗日法進行動力學建模分析，求出行走過程中下肢各關(guān)節(jié)力矩表達式。為了驗證動力學理論分析的正確性，采用ADAMS仿真軟件進行下肢助力外骨骼的動力學仿真，仿真分析結(jié)果表明了關(guān)節(jié)力矩理論輸出結(jié)果與仿真輸出結(jié)果基本一致。不同行走模式下的下肢助力