下肢助力外骨骼關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、隨著科技的不斷發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)已取得了巨大進(jìn)步，但是，目前的人工控制算法控制機(jī)器人動(dòng)作的能力，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于人類通過自然進(jìn)化擁有的對(duì)自身行為控制的能力，并且機(jī)器人的動(dòng)作靈敏性與反應(yīng)速度也不如人類，但機(jī)器人也有自身的優(yōu)點(diǎn)，它能夠比人類承擔(dān)更多的負(fù)載且能長期作業(yè)。本課題研究的下肢助力外骨骼，則結(jié)合了人與機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)，把人與機(jī)器人組合在一個(gè)系統(tǒng)里，充分發(fā)揮人的動(dòng)作導(dǎo)向能力與機(jī)器人承擔(dān)負(fù)載的能力。此下肢助力外骨骼機(jī)構(gòu)能被穿戴者穿在身上，并時(shí)刻保持

2、與穿戴者一致的行走動(dòng)作，像人體的外骨骼一樣代替人體承擔(dān)外部負(fù)載，從而達(dá)到行走助力的目的。為了緩解大負(fù)重、長距離行走引起的下肢傷痛問題；人口老齡化日益加劇帶來的社會(huì)問題；及由于交通、地震災(zāi)害等引起的下肢傷殘等問題；故對(duì)此種人機(jī)一體化的下肢助力外骨骼系統(tǒng)進(jìn)行研究具有重要的意義，且將具有廣泛的應(yīng)用前景。
　　 全文貫穿了理論分析和技術(shù)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)基本問題，涉及多個(gè)研究領(lǐng)域，主要內(nèi)容如下：
　　 1．基于人體測(cè)量學(xué)理論，進(jìn)行了人體行

3、走運(yùn)動(dòng)學(xué)的研究。搭建人體運(yùn)動(dòng)圖像采集分析系統(tǒng)。運(yùn)動(dòng)圖像采集系統(tǒng)由分布在四周的高速攝像機(jī)及粘貼在測(cè)試者關(guān)節(jié)部位的發(fā)光標(biāo)記點(diǎn)組成。通過對(duì)相機(jī)標(biāo)定、標(biāo)記點(diǎn)的捕捉、識(shí)別及標(biāo)記點(diǎn)的三維重建，獲得行走過程中人體關(guān)鍵部位處的標(biāo)記點(diǎn)空間坐標(biāo)值，進(jìn)而求解出行走過程中下肢關(guān)節(jié)角度變化、下肢各部分的質(zhì)心軌跡等運(yùn)動(dòng)學(xué)信息。進(jìn)行不同行走條件下的人體運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)，對(duì)其運(yùn)動(dòng)學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。
　　 2．建立人體下肢動(dòng)力學(xué)模型，結(jié)合人體行走運(yùn)動(dòng)學(xué)研究結(jié)果及足底力

4、測(cè)量系統(tǒng)檢測(cè)出的足底力、力矩信息，求解出人體下肢各關(guān)節(jié)在行走過程中的關(guān)節(jié)力矩及功率。編制的步態(tài)分析系統(tǒng)軟件，實(shí)現(xiàn)了人體行走運(yùn)動(dòng)棍棒圖的再現(xiàn)，并輸出行走過程中下肢各關(guān)節(jié)的動(dòng)力學(xué)信息。結(jié)合搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行了不同行走條件下人體運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)，并對(duì)其動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，為下肢助力外骨骼設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。
　　 3．基于人體行走運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)研究結(jié)果，進(jìn)行下肢助力外骨骼的仿生機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。人體行走運(yùn)動(dòng)矢狀面內(nèi)的髖關(guān)節(jié)平均功率為正值，表明髖

5、關(guān)節(jié)需要進(jìn)行主動(dòng)驅(qū)動(dòng)，故設(shè)計(jì)的外骨骼樣機(jī)髖關(guān)節(jié)采用電機(jī)帶動(dòng)絲杠螺母進(jìn)行驅(qū)動(dòng)；膝關(guān)節(jié)在平地行走過程中的平均功率為負(fù)值，則主要起被動(dòng)作用，故設(shè)計(jì)的樣機(jī)膝關(guān)節(jié)為一被動(dòng)關(guān)節(jié)；踝關(guān)節(jié)在行走過程中有正功、負(fù)功，且在平地、慢速行走條件下，正負(fù)功基本相等，故設(shè)計(jì)的樣機(jī)踝關(guān)節(jié)采用彈簧進(jìn)行驅(qū)動(dòng)；著制作了實(shí)物樣機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)。針對(duì)已設(shè)計(jì)研制出的樣機(jī)存在的問題，提出了改進(jìn)方案，給出了改進(jìn)后下肢助力外骨骼各關(guān)節(jié)三維造型圖。
　　 4．針對(duì)下肢助力外骨骼行走步

6、態(tài)周期內(nèi)的三種行走模式，即單腳支撐（一腳為全腳掌著地、另一腳擺動(dòng)）、雙腳支撐(兩腳均為全足掌著地）、一腳虛觸地的單腳支撐（一腳為全腳掌著地，而另一腳非全腳掌著地，如腳跟著地、腳尖蹬離地面時(shí)刻），分別采用拉格朗日法進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模分析，求出行走過程中下肢各關(guān)節(jié)力矩表達(dá)式。為了驗(yàn)證動(dòng)力學(xué)理論分析的正確性，采用ADAMS仿真軟件進(jìn)行下肢助力外骨骼的動(dòng)力學(xué)仿真，仿真分析結(jié)果表明了關(guān)節(jié)力矩理論輸出結(jié)果與仿真輸出結(jié)果基本一致。不同行走模式下的下肢助力