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便攜式柔性外骨骼機器人

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更新時間：2018-11-30
發布人：rongxinglu

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便攜式柔性外骨骼機器人畢業論文。
基于對外骨骼機器人現狀的探討和人體運動學的研究，確定外骨骼機器人的驅動方案，傳動方案和結構設計方案。整體方案概括為腰部助力的繩驅柔性外骨骼機器人。設計要求：在安全性和功能性的前提下，著重完成便攜式。
然后，根據設計方案和要求完成結構設計，主要包括主/被動自由度，限位機構、驅動設計等；接著完成軸類零件、軸承等重要零件的校核。
最后，運用D-H法完成外骨骼機器人的正/逆運動學求解，繪制出運動空間。
目錄
第1章緒論 1
1.1 課題來源及研究意義 1
1.2 國內外研究現狀 1
1.2.1 外骨骼機器人 1
1.2.2 驅動方式 6
1.3本文研究內容 8
第2章外骨骼機器人總體方案 9
2.1 人體運動學分析 9
2.1.1 人體基本面和基本軸 9
2.1.2 上肢關節運動學分析 10
2.1.3 腰椎關節特征分析 13
2.2 外骨骼機器人設計方案 15
2.2.1 設計要求 15
2.2.2 柔性驅動方案 16
2.2.3 繩驅傳動方案 17
2.2.4 本機構設計方案 18
2.3 本章小結 21
第3章外骨骼機器人結構設計 22
3.1 主動自由度設計 22
3.1.1 肘關節 22
3.1.2 肩關節前屈/后伸 23
3.1.3 髖關節 23
3.2 被動自由度設計 24
3.2.1 肩關節 24
3.2.2 肩胛帶 25
3.2.3 腰椎關節 26
3.2.4 腿部支撐處 27
3.3 關節限位、長度調節 27
3.3.1 關節限位 28
3.3.2 長度調節 29
3.4 柔性驅動設計實現 30
3.4.1 繩驅結構 30
3.4.2 串聯彈性驅動器（SEA）結構 31
3.5 本章小結 32
第4章外骨骼機器人結構校核 33
4.1 軸的連接件的載荷分布 33
4.1.1 人體各環節質量與質心位置 33
4.1.2 肘關節處 35
4.1.3 肩關節處 36
4.1.4 腰椎助力部分 37
4.2 軸的校核 39
4.2.1 軸承強度校核 39
4.2.2 軸承剛度校核 45
4.3 軸承壽命校核 47
4.4 關鍵零部件靜力學校核 48
4.4.1 軸的靜力學分析 48
4.4.3 非軸零件的靜力學分析 50
4.5 本章小結 50
第5章外骨骼機器人運動學分析 52
5.1 外骨骼機器人上肢部分正向運動學分析 52
5.1.1 D-H建模 52
5.1.2 正運動學求解 53
5.2 外骨骼機器人上肢部分逆向運動學求解 56
5.3 外骨骼機器人上肢部分的工作空間 59
5.4 本章小結 60
第6章總結與展望 62
6.1 總結 62
6.2 展望 62
6.2.1 本設計展望 62
6.2.2 外骨骼機器人展望 63
參考文獻 64
致謝 67

第1章緒論
1.1 課題來源及研究意義
本論文來源于國家“智能機器人”重點專項 2017年度項目“助力型外骨骼機器人”和“腦卒中康復機器人系統”。本文設計了一種便攜式柔性繩驅上肢外骨骼機器人。
從基數上看，我國是人口大國而且目前處于老齡化階段，病人數量將會大幅度上升；另一方面，我國作為制造大國，雖然越來越多的勞動由自動化機械代替，但是復雜精細的勞動依然需要人力來實現，如建筑業、汽車制造業等，大量的搬運工作會導致許多關節疾病的產生，如關節炎、骨刺、腰痛、悲痛等。因此醫療器械與我國民生密切相關，其產業的發展潛力巨大[1]。醫療器械在我國起步相對較晚，但是市場需求量巨大，因此國內眾多高校、企業等已經紛紛投入醫療器械的研究當中，國家也啟動各種有關醫療器械的項目。
如今，醫療技術迅猛發展，可以治療大部分疾病，但是依然有很多疾病是無法通過純醫療手段來達到完全治愈的目的，比如血栓疾病患者需要在血管內打入支架，而無法直接通過做手術來取出血液沉積物；骨折之后，通過手術治療實現傷口愈合，但是病人無法恢復到傷前的狀態。這些都是需要通過外界的手段即輔助物來達到治愈效果，像血管支架、外骨骼等。由此可見，醫療器械對病后治療有著非常重要的作用。另一方面，疾病預防是降低生病率、提高人民生活水平的關鍵，特別是對于關節或骨骼疾病，通過醫療器械可以達到較好的預防效果。
現在的外骨骼機器人主要由剛性連桿搭建一個平行于人體骨骼的框架的方式，通過軸承連接來實現轉動。采用這種方式可以精確并且傳遞足夠的力給人體骨骼[2]，能夠有效地幫助使用者搬運物品和術后康復。但是手臂施力運動往往需要由腰部協助，腰部也是承受載荷的關鍵部位。本文主要針對體力勞動者和術后康復者，采用腰部協助上肢助力，設計一款便攜式外骨骼機器人。...

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