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

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【摘要】：航天員在太空失重環(huán)境下工作負荷減小,使得肌肉受力降低,導致肌肉萎縮和骨丟失等多種不良生理效應(yīng)。這些變化嚴重影響了航天員的健康和工作能力,必須采取有效的防護措施以對抗失重對航天員造成的不良影響。可穿戴機器人是一種以人類身形特征和功能為基礎(chǔ)所研制的機電一體化系統(tǒng)裝備,這種機構(gòu)根據(jù)人體的一些部位和關(guān)節(jié)及運動特點,對人體功能補償、提高或者部分代替,是現(xiàn)代設(shè)計理論與控制的綜合集成技術(shù)。通常在地面所用外骨骼機器人設(shè)計為助力形式,可以給人提供身體支撐、額外的動力、增強人體機能。若將這種助力變?yōu)樽枇?在下肢各關(guān)節(jié)處提供長時間的低阻尼負荷,通過人體主動或隨意活動,在不限制人體活動范圍的前提下克服裝置所提供的阻尼,則有可能彌補長期失重導致的肌肉受力降低,減輕運動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)需要有良好的人機工程學設(shè)計,機械結(jié)構(gòu)自由度的設(shè)置和運動范圍應(yīng)與人體關(guān)節(jié)自由度和運動范圍相一致,并且還需滿足不同體型人體的需要。然而,當前的外骨骼設(shè)計方面存在一些亟待解決的問題,例如:設(shè)計理論的不完善性;結(jié)構(gòu)設(shè)計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)計要求,本文以空間解析幾何齊次坐標方程為基礎(chǔ),建立了人機外骨骼運動學方程,根據(jù)下肢運動參數(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)運動軌跡投影圖;面對目前人體下肢外骨骼與人體下肢運動中存在干涉的問題,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行求解,得出了人機兩腿桿對應(yīng)關(guān)節(jié)距離的關(guān)系式,解決了下肢外骨骼人機干涉的問題。應(yīng)用牛頓-歐拉動力學方程建立人體下肢兩桿動力學方程,求解了不同步態(tài)下關(guān)節(jié)部位的運動學參數(shù)與動力學參數(shù)。根據(jù)實驗者的人體參數(shù)計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)動慣量,通過Vicon三維運動采集設(shè)備,對人體下肢不同速度步態(tài)下的運動學參數(shù)進行采集,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軟件進行編程計算,從而求解計算出了不同步態(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入ADAMS中,設(shè)置模型參數(shù)、添加約束并且導入關(guān)節(jié)驅(qū)動參數(shù)后進行不同速度步態(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)人機工程學設(shè)計了滿足穿戴舒適性、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)進行設(shè)定。通過以上工作完成了外骨骼的結(jié)構(gòu)設(shè)計與阻尼器的選型,為后續(xù)的進一步研究設(shè)計工作做好了鋪墊。
【學位授予單位】：太原理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TP242

【參考文獻】

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