髖關(guān)節(jié)助力機(jī)器人外骨骼研究
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- 本文提出了一種新型的基于串聯(lián)彈性執(zhí)行器(Serial Elastic Actuator)的髖關(guān)節(jié)助力機(jī)器人外骨骼，主要用于輔助穿戴者行走，降低穿戴者的行走負(fù)擔(dān)，提高其下肢運(yùn)動(dòng)能力和負(fù)重能力，同時(shí)盡可能的降低對穿戴者本身行走平衡的影響。
首先，對人體行走的步態(tài)規(guī)律進(jìn)行了探究，總結(jié)出正常步態(tài)周期內(nèi)髖關(guān)節(jié)的生物特性和動(dòng)作特點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上得到了髖關(guān)節(jié)輔助外骨骼需要具有的特征和要求。
然后，對串聯(lián)彈性執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了分析，通過其模型推導(dǎo)出傳遞函數(shù)，并據(jù)此對其性能進(jìn)行了分析。
接下來，設(shè)計(jì)出了符合需求的基于串聯(lián)彈性執(zhí)行器的髖關(guān)節(jié)助力機(jī)器人外骨骼，每個(gè)執(zhí)行單元采用模塊化設(shè)計(jì)和串聯(lián)彈性執(zhí)行器，使其具有較高的扭矩重量比，同時(shí)降低對穿戴者本身行走平衡的影響。
最后使用Creo建立三維結(jié)構(gòu)模型，在Ansys中進(jìn)行應(yīng)力分析，驗(yàn)證了其承載能力符合要求。在Adams/View中進(jìn)行了仿真，得到其動(dòng)力學(xué)特征。目 錄
摘 要 3
ABSTRACT 4
1 緒論 7
1.1 研究的背景與意義 7
1.2 國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀 7
1.3 本文主要研究的問題 11
2 人體行走時(shí)的髖關(guān)節(jié)步態(tài)規(guī)律特征 12
2.1 人體髖關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)模型 12
2.2 髖關(guān)節(jié)的正常生物特性 13
2.3 髖關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特征 15
3 串聯(lián)彈性執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)原理及特征 17
3.1 SEA概述 17
3.2 SEA模型推導(dǎo) 18
3.3 SEA模型分析 19
4 髖關(guān)節(jié)助力機(jī)器人外骨骼設(shè)計(jì) 22
4.1 髖關(guān)節(jié)外骨骼基本性能要求 22
4.2 髖關(guān)節(jié)外骨骼機(jī)械結(jié)構(gòu) 23
4.2.1 串聯(lián)彈性執(zhí)行器 24
4.2.2 平衡穩(wěn)定器 27
4.2.3 髖距調(diào)節(jié)器 30
4.3 髖關(guān)節(jié)外骨骼有限元分析 31
4.3.1 彈性元件 31
4.3.2 扭力彈簧與諧波減速器之間的連桿 34
4.3.3 扭力彈簧與力矩傳感器之間的連桿 34
4.3.4 殼體 35
5 髖關(guān)節(jié)外骨骼動(dòng)力學(xué)仿真 36
5.1 仿真前期準(zhǔn)備 36
5.2 仿真結(jié)果與分析 38
6 總結(jié)與展望 40
6.1 文章總結(jié) 40
6.2 后期展望 41
參考文獻(xiàn) 42
致 謝 44
1緒論
1.1研究的背景與意義
隨著老年人口比例的上升，社會(huì)問題日益嚴(yán)重。2015年世界人口在60歲以上的比例為12.3％，但到2050年預(yù)計(jì)為21.5％。人口老齡化將降低潛在支持率（PSR），潛在支持率指20 至64歲人口數(shù)量除以65歲及以上人口數(shù)量。到2050年，7個(gè)亞洲國家，24個(gè)歐洲國家和4個(gè)其他國家的PSR可能低于2。由于缺乏年輕的勞動(dòng)力，老年人口保持獨(dú)立生活方式至關(guān)重要。然而，年老的肌肉力量，靈活性和平衡性都會(huì)降低。這些長久保持坐姿的生活方式和活動(dòng)量少所導(dǎo)致的肌肉損傷極大的加劇了老年人腿部疾病的發(fā)生率。為了幫助老年人走得更遠(yuǎn)，從而使他們能夠過上更自由和獨(dú)立的生活，許多研究人員正在開發(fā)外骨骼型可穿戴設(shè)備。
目前設(shè)計(jì)的外骨骼缺乏提供維持穿戴式外骨骼系統(tǒng)橫向穩(wěn)定性的功能。對于單自由度的外骨骼，當(dāng)穿戴者行走時(shí)，其平衡維持需要借助拐杖或助行器，不適合仍具有一定運(yùn)動(dòng)能力的人使用。而多自由度的外骨骼由于增加了驅(qū)動(dòng)數(shù)量也會(huì)存在體積和重量增大，為人們的正常行走帶來較大負(fù)擔(dān)。因此如何設(shè)計(jì)和控制一種能夠有效支持穿戴者同時(shí)不影響其行走穩(wěn)定性的外骨骼系統(tǒng)，仍然是一個(gè)懸而未決的問題。
1.2國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀
Francesco Giovacchini等人于2015年研究了一種髖關(guān)節(jié)外骨骼輔助裝置，該裝置由一個(gè)水平的C形框架作為支架，圍繞使用者的臀部和骨盆的后部，并通過三個(gè)矯形外殼（兩個(gè)側(cè)面和一個(gè)后面）與身體軀干連接; 支架承載兩個(gè)驅(qū)動(dòng)單元。如文獻(xiàn)[1]所述，該結(jié)構(gòu)采用兩個(gè)2.5毫米厚的碳纖維橫臂實(shí)現(xiàn)，通過后直桿連接。后方放置外部導(dǎo)向裝置，其中兩個(gè)內(nèi)部桿可以滑動(dòng)：然后可以調(diào)節(jié)桿的長度以匹配兩個(gè)側(cè)向外殼之間的距離，以確保支架在內(nèi)-外側(cè)方向上緊密地附接到上半身。兩個(gè)滑動(dòng)桿可以通過一個(gè)快速分離銷鎖定，并使用絲杠機(jī)構(gòu)細(xì)微地調(diào)整。為了進(jìn)一步使穿著過程更容易，結(jié)構(gòu)也可以完全分成兩部分（右和左）。 由于水平調(diào)節(jié)，人體和機(jī)器人髖關(guān)節(jié)屈伸軸和支架中心軸和導(dǎo)軌的垂直位置對其。此外，后方外殼固定在后桿上，并通過螺釘機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)節(jié)，以貼合人體腰部區(qū)域，正確傳遞輔助扭矩，外骨骼具有一個(gè)主動(dòng)自由度，驅(qū)動(dòng)單元為串聯(lián)彈性執(zhí)行器以獲得較高的扭矩重量比，整個(gè)子系統(tǒng)總重量為0.8千克。在控制策略方面，上層采用了Ronsse等人在最近的工作中提出的一種無模型(它不需要任何關(guān)于步態(tài)動(dòng)力學(xué)的先驗(yàn)知識)算法。該算法利用自適應(yīng)振蕩器(AOs)為LOPES外骨骼用戶提供髖部屈伸輔助。底層則采用基于扭矩的PID閉環(huán)控制。
圖 1.1 髖關(guān)節(jié)外骨骼輔助裝置
三星高級技術(shù)研究所開發(fā)了一種髖關(guān)節(jié)外骨骼，如圖 1.1所示。它設(shè)計(jì)用于在髖關(guān)節(jié)的伸展和屈曲中提供輔助扭矩。它輕巧，纖薄，舒適且功能強(qiáng)大。外骨骼由一對驅(qū)動(dòng)器組成，這些驅(qū)動(dòng)器為左右髖關(guān)節(jié)產(chǎn)生輔助力，腰部有一個(gè)髖關(guān)節(jié)支撐，一對大腿支撐架將助力扭矩從執(zhí)行器傳遞到大腿。背面包括電池和CPU 的電子組件。外骨骼的重量減少到2.8千克。兩個(gè)70瓦BLDC電機(jī)安裝在髖關(guān)節(jié)附近，以產(chǎn)生輔助扭矩，產(chǎn)生的扭矩通過75：1多級齒輪系統(tǒng)傳遞到每個(gè)關(guān)節(jié)，沒有肌腱或彈性元件。每個(gè)關(guān)節(jié)在矢量平面上具有1個(gè)活動(dòng)自由度（DOF），在活動(dòng)DOF下方具有1個(gè)用于外展/內(nèi)收的被動(dòng)鉸鏈。運(yùn)動(dòng)范圍是45 /1200。臀部支架使用工程塑料制成，并涂有碳纖維，結(jié)構(gòu)靈活，當(dāng)內(nèi)帶系統(tǒng) 固定時(shí)，它可以緊緊貼合骨盆。支架由多個(gè)部件組成，以便可以調(diào)節(jié)腰部和臀部周圍的寬度以適合不同...
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