多关节低阻尼下肢外骨骼动力学特性的研究

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航天员在太空失重环境下工作负荷减小，使得肌肉受力降低，导致肌肉萎缩和骨丢失等多种不良生理效应。这些变化严重影响了航天员的健康和工作能力，必须采取有效的防护措施以对抗失重对航天员造成的不良影响。可穿戴机器人是一种以人类身形特征和功能为基础所研制的机电一体化系统装备，这种机构根据人体的一些部位和关节及运动特点，对人体功能补偿、提高或者部分代替，是现代设计理论与控制的综合集成技术。通常在地面所用外骨骼机器人设计为助力形式，可以给人提供身体支撑、额外的动力、增强人体机能。若将这种助力变为阻力，在下肢各关节处提供长时间的低阻尼负荷，通过人体主动或随意活动，在不限制人体活动范围的前提下克服装置所提供的阻尼，则有可能弥补长期失重导致的肌肉受力降低，减轻运动能力降低带来的不利影响。但这种穿戴式多关节低阻力的下肢外骨骼结构需要有良好的人机工程学设计，机械结构自由度的设置和运动范围应与人体关节自由度和运动范围相一致，并且还需满足不同体型人体的需要。然而，当前的外骨骼设计方面存在一些亟待解决的问题，例如：设计理论的不完善性；结构设计方面存在着不合理性；外骨骼关节部位提供力矩装置可控性较低。
　　本研究以空间解析几何齐次坐标方程为基础，建立了人机外骨骼运动学方程，根据下肢运动参数得到边界条件，并以此为依据利用MATLAB软件绘制了踝关节运动轨迹投影图；面对目前人体下肢外骨骼与人体下肢运动中存在干涉的问题，建立了空间异面直线最短距离的方程，并以此为条件依据外骨骼大腿杆到人体大腿杆最短距离大于人体大腿肌肉厚度的原则进行求解，得出了人机两腿杆对应关节距离的关系式，解决了下肢外骨骼人机干涉的问题。应用牛顿－欧拉动力学方程建立人体下肢两杆动力学方程，求解了不同步态下关节部位的运动学参数与动力学参数。根据实验者的人体参数计算得出方程中的人体大、小腿杆的长度、质量、质心位置以及转动惯量，通过Vicon三维运动采集设备，对人体下肢不同速度步态下的运动学参数进行采集，得出了各种步态下髋、膝关节的关节角度随时间变化规律。将角度数据、下肢模型所需参数及足底压力数据带入方程中，通过MATLAB软件进行编程计算，从而求解计算出了不同步态下髋、膝关节的力矩。在此基础上，建立人体三维模型并导入 ADAMS中，设置模型参数、添加约束并且导入关节驱动参数后进行不同速度步态下的人体步态仿真，得出了不同速度步态下髋膝踝关节的力矩特征曲线，为外骨骼关节阻尼器的选型提供依据。最后依据人机工程学设计了满足穿戴舒适性、杆长可调等要求的外骨骼三维模型结构，可调阻尼器阻尼值的选型依据仿真求得的力矩参数进行设定。通过以上工作完成了外骨骼的结构设计与阻尼器的选型，为后续的进一步研究设计工作做好了铺垫。

著录项

作者
梁宇航;
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作者单位

太原理工大学;

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授予单位太原理工大学;
学科机械工程
授予学位硕士
导师姓名梁国星;
年度 2017
页码
总页数
原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类设计、计算与制图;
关键词
失重保护; 康复器械; 结构设计; 动力学分析;

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