助力型外骨骼仿生结构设计

发布时间：2024-04-08 19:55

　　近年来,可穿戴外骨骼技术已成为机器人研究领域的热门方向,其开发与研究旨在增强人体机能、拓展人体功能,在许多领域都有广阔的应用前景。目前的外骨骼在结构设计或多或少应用了仿生原理,但在髋关节和踝关节的设计上都采取了关节外置的形式,这种布置方法难免会造成外骨骼与人体之间的干涉。本课题的目标是设计一款助力型外骨骼,使外骨骼髋(踝)关节旋转轴线与人体相应髋(踝)关节旋转轴线重合,意在从结构设计层面减少外骨骼与穿戴者之间的干涉,使外骨骼能更为柔顺地跟随人体运动,为外骨骼之后的驱动和控制提供良好的结构基础。本文的主要研究内容包括:(1)基于仿生学提出一款助力型外骨骼的设计方案。综合以下方面:由人体下肢的肌肉骨骼模型及步态分析,配置外骨骼的应有的自由度,并确定主动自由度,明确了各关节的运动范围;考虑人体体格标准和身材的兼容性来确定外骨骼的主要尺寸;设计外骨骼的关节结构和整体方案,并在SolidWorks中建立所设计外骨骼的三维模型。(2)对所设计的外骨骼进行了运动学与动力学建模。通过D-H分析法对外骨骼进行了运动学建模,计算其运动学正解与运动学逆解,并计算了外骨骼的雅克比矩阵,为外骨骼的承力指标的计算...

【文章页数】：82 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

图1.1BLEEX机械结构及自由度分配Exiohiker用于在长期任务中承受重负荷，自重14.1kg（包括动力装置、电池和车载电脑），有效载荷：68kg（150lb），而佩戴者感觉不到重量；工作音量几

国防科技大学研究生院硕士学位论文第9页图1.1BLEEX机械结构及自由度分配Exiohiker用于在长期任务中承受重负荷，自重14.1kg（包括动力装置、电池和车载电脑），有效载荷：68kg（150lb），而佩戴者感觉不到重量；工作音量几乎不可察觉；续航方面，若无太阳能电池板时，....

图1.2HAL-5TypeCHAL-5主要由控制器/计算机、电池组、动力单元、传感器（包括肌电传感器、关节处的角度传感器、地面接触力传感器和获得身体位姿信号的陀螺仪）等组成

国防科技大学研究生院硕士学位论文第10页能上也有所提升，还增加了部分上肢功能；其在结合了ExoHiker和ExoClimber的特点外，还具有两大特性：在不妨碍穿戴者的情况下，最高承载可达90.7kg（200lb）降低穿戴者的代谢成本（即耐力增强）。第二个特性使HULC拥有其他外....

图1.3CVC：基于生物电信号的控制算法&肌电传感器安装位置

国防科技大学研究生院硕士学位论文第11页图1.3CVC：基于生物电信号的控制算法&肌电传感器安装位置如图1.3，HAL下肢外骨骼采用4个EMG生物传感器，以测量、预估膝关节和髋关节的力矩，然后控制相应关节的直流电机，补偿相应扭矩以提供支撑或辅助运动。②自动控制（CybernicA....

图1.4CAC：基于步态周期的控制算法其工作原理为：穿戴HAL进行运动（如步行，站立，坐下等），随之分析并

国防科技大学研究生院硕士学位论文第11页图1.3CVC：基于生物电信号的控制算法&肌电传感器安装位置如图1.3，HAL下肢外骨骼采用4个EMG生物传感器，以测量、预估膝关节和髋关节的力矩，然后控制相应关节的直流电机，补偿相应扭矩以提供支撑或辅助运动。②自动控制（CybernicA....

本文编号：3948727