目前在外骨骼機器人的使用中,普遍存在外骨骼和人體之間因運動不一致而導(dǎo)致使用者不適的現(xiàn)象,甚至存在安全風(fēng)險。為了解決這一問題,提高外骨骼機器人和人體交互過程的安全性和柔順性,本文提出了將柔順和欠驅(qū)動設(shè)計運用到外骨骼機構(gòu)的方法,針對下肢外骨骼膝關(guān)節(jié)運動與人體運動不一致的問題,提出在外骨骼關(guān)節(jié)處使用一種平面柔順五桿機構(gòu)。通過采用并聯(lián)機構(gòu)剛度映射和虛功原理結(jié)合的方式,分析該機構(gòu)的剛度分布問題,根據(jù)實際的使用條件設(shè)計目標(biāo)剛度,運用遺傳算法對結(jié)構(gòu)尺寸進行優(yōu)化。通過SimMechanics仿真和樣機實驗驗證對外骨骼的自適應(yīng)能力進行了評估和分析。本文的主要內(nèi)容如下:首先,本文提出的平面柔順五桿機構(gòu),其末端位置輸出端在矢狀面內(nèi)提供兩個自由度,安裝在各個關(guān)節(jié)處的彈性元件具有以下潛力:根據(jù)人體和外骨骼之間出現(xiàn)的相互作用力產(chǎn)生相應(yīng)變形,自動調(diào)節(jié)外骨骼膝關(guān)節(jié)處的運動形式,令機構(gòu)的位置輸出端相對于基座的運動符合人體膝關(guān)節(jié)的活動變化,促使外骨骼和使用者的肢體更加貼合,進而消除人機之間運動不一致的問題。其次,本文運用并聯(lián)機構(gòu)剛度映射理論,將該機構(gòu)分解為兩條支鏈進行運動學(xué)分析,及運用虛功原理建立機構(gòu)的剛度模型。根據(jù)對使... 

【文章來源】：天津大學(xué)天津市 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：74 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

人與外骨骼機器人之間的運動不一致Figure1-1Motionmisalignmentbetweenhumanlimbandexoskeleton

第一章緒論4調(diào)整位置；矯形器的大腿和小腿桿件由相互推擠的矩形管組成，長度（參數(shù)4和5）也可以改變，它們可以通過螺栓固定在不同的位置；最后，腿部綁帶的位置（參數(shù)6和7）和大小（參數(shù)8）也可以調(diào)節(jié)，由于綁帶固定在腿矯形器的直角管上，而直角管可以在下肢矯形器的桿件上前后移動并綁定在正確的位置，也可以適應(yīng)不同的使用條件。(a)驅(qū)動式步態(tài)矯形器的模型(b)驅(qū)動式步態(tài)矯形器在輔助訓(xùn)練中的使用圖1-2驅(qū)動式步態(tài)矯形器Figure1-2ActuatedgaitorthoticsGeryColombo提出的驅(qū)動式步態(tài)矯形器雖然可以解決不同患者使用時，個體差異導(dǎo)致的運動不一致的現(xiàn)象，但是對單個使用者在使用過程中人機之間的運動不適應(yīng)問題沒有幫助，而且使用前需要重復(fù)調(diào)整裝置的各個尺寸以達到最舒適的狀態(tài)，使訓(xùn)練費時費力。(a)模型(b)實驗機構(gòu)圖1-3具有扭矩調(diào)節(jié)機構(gòu)和U形彈簧的外骨骼膝關(guān)節(jié)機構(gòu)Figure1-3Self-adjustingkneejointexoskeletonwithaU-spring

第一章緒論5KoheiSakai等人提出具有扭矩調(diào)節(jié)機構(gòu)和U形彈簧的外骨骼膝關(guān)節(jié)機構(gòu)[25]，該設(shè)計參照樣本膝關(guān)節(jié)在活動中瞬時移動的軌跡，預(yù)先設(shè)計圖1-3中的移動滑槽，令外骨骼膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動中心沿滑槽運動，達到與人膝部股骨髁轉(zhuǎn)動中心同步的目的。另外該設(shè)計引入U形彈簧用于吸收人機之間多余的力矩。然而，這種設(shè)計基于特定的運動數(shù)據(jù)來確定其運動的軌跡，且理想的使用條件僅僅存在于每一次穿戴都和測試樣本中的情況一致，容錯能力較小，無法自發(fā)的調(diào)整意外的人機錯動現(xiàn)象，另一方面，統(tǒng)一參照樣本軌跡的外骨骼無法適合多樣化的個體。2)使用柔順結(jié)構(gòu)第二種經(jīng)常使用的方法是在外骨骼機器人中使用柔順結(jié)構(gòu)，也較多應(yīng)用于在康復(fù)外骨骼機器人中。這一方法的核心思想不是去消除運動不一致的現(xiàn)象，而是使約束和固定部件采用柔順材料或是設(shè)計成柔順機構(gòu)，這種內(nèi)置的柔順性為使用者行動提供緩沖，沒有不良的約束，并且可以提供足夠的舒適性。Gosselin等人提出一種可以自動調(diào)節(jié)大腿和小腿桿件長度的PRP型外骨骼膝關(guān)節(jié)矯形器[26]。如圖1-4所示，由于外骨骼機器人和人體之間運動錯位而產(chǎn)生的內(nèi)力，以能量的形式儲存在關(guān)節(jié)B處的扭簧內(nèi)，在活動的過程中，系統(tǒng)趨于減少該彈性勢能，恢復(fù)力矩將起被動制動器的作用，促使外骨骼上的兩個移動副向相反的方向上滑動，令桿件AN及AH長度變化，最終使得人體膝關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動中心位于機構(gòu)的對稱平面內(nèi)，達到可調(diào)整外骨骼的轉(zhuǎn)動中心的目的。(a)PRP型膝關(guān)節(jié)矯形器(b)PRP型膝關(guān)節(jié)矯形器等效圖圖1-4PRP型外骨骼膝關(guān)節(jié)矯形器Figure1-4PRPexoskeletonkneeorthotics不借助于額外的驅(qū)動附件，該設(shè)計使外骨骼桿件能夠自動調(diào)節(jié)長度，但是同時也令機構(gòu)運動不受限制，沿著大腿和小腿軸向安裝的移動副可以移動到任意位置，造成欠?


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