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1、新型下肢外骨骼的機構(gòu)性能設計方法研究 下肢外骨骼技術融合了機器人學、仿生學、控制理論、信息處理、通訊技術 等多學科的知識, 同時涉及傳感、 控制、 信息耦合、 移動計算等技術, 將人的智能 與機器人的機械能量結(jié)合起來, 完成一定的功能和任務。本文分析了國內(nèi)外下肢 外骨骼的發(fā)展歷史、 分類以及研究現(xiàn)狀, 針對外骨骼的研究難點 , 結(jié)合機構(gòu)構(gòu)型設 計理論 , 提出了一種新型混聯(lián)增力式下肢外骨骼, 并對外骨骼的機構(gòu)性能進行了 詳細設計。 本文的研究成果為下肢外骨骼的機械設計與性能研究提供了新的構(gòu)型方案 和理論方法, 主要內(nèi)容如下 :(1) 分析總結(jié)了增力式下肢外骨骼的機械設計指標 ,

2、 提出了新型混聯(lián)式下肢外骨骼, 并基于人體下肢的生理學結(jié)構(gòu) , 對外骨骼進行了 關節(jié)布置與自由度分配。外骨骼采用擬人腿的設計 , 具有與人腿相似的髖關節(jié)和 踝關節(jié)布置, 但是無膝關節(jié)。 根據(jù)人體步行的動力學分析, 確定了外骨骼下肢的主動關節(jié)與被動關節(jié) , 并 基于行走性能對并聯(lián)腿結(jié)構(gòu)進行了設計。 (2) 對外骨骼下肢的拓撲狀態(tài)進行了分 類 , 并描述了末端運動特征, 提出了“特征狀態(tài)”的概念。 基于不同的拓撲狀態(tài), 建立了外骨骼下肢的數(shù)學模型、左右腿關節(jié)的空間位 置模型、 速度模型與承載力模型。 (3) 基于外骨骼下肢的運動學模型, 分析了外骨 骼的尺寸對運動跟隨性能、承載性

3、能的影響 , 對平行四邊形并聯(lián)腿與箏形并聯(lián)腿 機構(gòu)作了尺寸參數(shù)設計。 根據(jù)人體關節(jié)的運動范圍確定了外骨骼下肢的關節(jié)運動范圍 , 并進一步確定 了外骨骼下肢的工作空間。 (4) 根據(jù)外骨骼下肢的拓撲分類, 分別建立了無支撐、 單腿支撐、雙腿支撐的外骨骼動力學模型。 引入儲能彈簧以降低并聯(lián)腿驅(qū)動力矩的峰值, 并提出了儲能彈簧的選型原則 分析了彈簧原長與彈簧常數(shù)對外骨骼承載性能的影響。對“Hy-MO'驅(qū)動器進行 選型與驅(qū)動布置。 (5) 建立了人體下肢步行運動的諧振擺模型, 推算出人體步行的最適步頻。 建 立了外骨骼下肢的諧振擺模型 , 分析了外骨骼的固有擺動周期與下肢各構(gòu)件質(zhì)量 之間的關系 , 為設計特定擺動周期的外骨骼提供了依據(jù)。 通過實驗實現(xiàn)了與外骨骼下肢固有周期匹配的擺動。 (6) 建立了人體下肢與 外骨骼下肢的打擊中心模型 , 以減輕下肢受到?jīng)_擊時對髖關節(jié)的影響。 分析了打擊中心位置與構(gòu)件質(zhì)量之間的關系 , 為設計以踝關節(jié)為打擊中心的 外骨骼提供了依據(jù)。通過實驗測定了外骨骼下肢打擊中心的真實位置。