本文關(guān)鍵詞：多關(guān)節(jié)低阻尼下肢外骨骼動(dòng)力學(xué)特性的研究　出處：《太原理工大學(xué)》2017年碩士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：航天員在太空失重環(huán)境下工作負(fù)荷減小,使得肌肉受力降低,導(dǎo)致肌肉萎縮和骨丟失等多種不良生理效應(yīng)。這些變化嚴(yán)重影響了航天員的健康和工作能力,必須采取有效的防護(hù)措施以對抗失重對航天員造成的不良影響�？纱┐鳈C(jī)器人是一種以人類身形特征和功能為基礎(chǔ)所研制的機(jī)電一體化系統(tǒng)裝備,這種機(jī)構(gòu)根據(jù)人體的一些部位和關(guān)節(jié)及運(yùn)動(dòng)特點(diǎn),對人體功能補(bǔ)償、提高或者部分代替,是現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與控制的綜合集成技術(shù)。通常在地面所用外骨骼機(jī)器人設(shè)計(jì)為助力形式,可以給人提供身體支撐、額外的動(dòng)力、增強(qiáng)人體機(jī)能。若將這種助力變?yōu)樽枇?在下肢各關(guān)節(jié)處提供長時(shí)間的低阻尼負(fù)荷,通過人體主動(dòng)或隨意活動(dòng),在不限制人體活動(dòng)范圍的前提下克服裝置所提供的阻尼,則有可能彌補(bǔ)長期失重導(dǎo)致的肌肉受力降低,減輕運(yùn)動(dòng)能力降低帶來的不利影響。但這種穿戴式多關(guān)節(jié)低阻力的下肢外骨骼結(jié)構(gòu)需要有良好的人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì),機(jī)械結(jié)構(gòu)自由度的設(shè)置和運(yùn)動(dòng)范圍應(yīng)與人體關(guān)節(jié)自由度和運(yùn)動(dòng)范圍相一致,并且還需滿足不同體型人體的需要。然而,當(dāng)前的外骨骼設(shè)計(jì)方面存在一些亟待解決的問題,例如:設(shè)計(jì)理論的不完善性;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面存在著不合理性;外骨骼關(guān)節(jié)部位提供力矩裝置可控性較低�；谝陨犀F(xiàn)狀及外骨骼設(shè)計(jì)要求,本文以空間解析幾何齊次坐標(biāo)方程為基礎(chǔ),建立了人機(jī)外骨骼運(yùn)動(dòng)學(xué)方程,根據(jù)下肢運(yùn)動(dòng)參數(shù)得到邊界條件,并以此為依據(jù)利用MATLAB軟件繪制了踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)軌跡投影圖;面對目前人體下肢外骨骼與人體下肢運(yùn)動(dòng)中存在干涉的問題,建立了空間異面直線最短距離的方程,并以此為條件依據(jù)外骨骼大腿桿到人體大腿桿最短距離大于人體大腿肌肉厚度的原則進(jìn)行求解,得出了人機(jī)兩腿桿對應(yīng)關(guān)節(jié)距離的關(guān)系式,解決了下肢外骨骼人機(jī)干涉的問題。應(yīng)用牛頓-歐拉動(dòng)力學(xué)方程建立人體下肢兩桿動(dòng)力學(xué)方程,求解了不同步態(tài)下關(guān)節(jié)部位的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)與動(dòng)力學(xué)參數(shù)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)者的人體參數(shù)計(jì)算得出方程中的人體大、小腿桿的長度、質(zhì)量、質(zhì)心位置以及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,通過Vicon三維運(yùn)動(dòng)采集設(shè)備,對人體下肢不同速度步態(tài)下的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)進(jìn)行采集,得出了各種步態(tài)下髖、膝關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)角度隨時(shí)間變化規(guī)律。將角度數(shù)據(jù)、下肢模型所需參數(shù)及足底壓力數(shù)據(jù)帶入方程中,通過MATLAB軟件進(jìn)行編程計(jì)算,從而求解計(jì)算出了不同步態(tài)下髖、膝關(guān)節(jié)的力矩。在此基礎(chǔ)上,建立人體三維模型并導(dǎo)入ADAMS中,設(shè)置模型參數(shù)、添加約束并且導(dǎo)入關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)參數(shù)后進(jìn)行不同速度步態(tài)下的人體步態(tài)仿真,得出了不同速度步態(tài)下髖膝踝關(guān)節(jié)的力矩特征曲線,為外骨骼關(guān)節(jié)阻尼器的選型提供依據(jù)。最后依據(jù)人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)了滿足穿戴舒適性、桿長可調(diào)等要求的外骨骼三維模型結(jié)構(gòu),可調(diào)阻尼器阻尼值的選型依據(jù)仿真求得的力矩參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。通過以上工作完成了外骨骼的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與阻尼器的選型,為后續(xù)的進(jìn)一步研究設(shè)計(jì)工作做好了鋪墊。
【學(xué)位授予單位】：太原理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TP242

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：1335900