第一章 緒論

1.1 本文研究背景及意義

隨著科學技術的發(fā)展和現(xiàn)代化進程的提升，世界各國對人機交互一體化系統(tǒng)的探索與研究也逐步深入，期望通過技術的革新使社會煥然一新。而外骨骼機器人它作為一種能夠將人類的智力以及機器人的“體力”相互結合的人機交互一體化系統(tǒng)，現(xiàn)在已經逐漸成為了這個領域的一個研究熱點。從構造上來看，外骨骼機器人可分為上肢、下肢、全身及各類關節(jié)機器人，其應用范圍廣泛，不僅可以運用在軍事領域，提高士兵的行軍能力和作戰(zhàn)能力，而且還可以運用在民用領域，應用于爬山、觀光旅游、消防、救災等須要背負繁重物資、裝備而車輛又無法使用的情況下，此外還可以將該裝備運用于醫(yī)學診療康復治愈領域，輔助殘疾人士、老年人和上肢、下肢關節(jié)無力病患者，在一定程度上幫助他們恢復運動及提高生活的質量[1-3]。

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1.2 人體下肢步態(tài)的國內外研究現(xiàn)狀

下肢外骨骼機器人的運動姿態(tài)是參照人體步態(tài)的研究進行設計的。正常人體行走時的步態(tài)應該是身體健康的人以最自然順暢、最為舒適的狀態(tài)行走前進的步態(tài)，此步態(tài)應該包含 3 個主要特點：身體重心平穩(wěn)，各步長相似，損耗的能量最少[10]，這些也是外骨骼運動姿態(tài)控制設計的重要參考指標之一。Grabiner 等學者[11]也對此進行了總結并認為正常人體行走時的步態(tài)須具備以下幾個條件：第一，支撐階段身體平穩(wěn)，擺動階段人體下肢足部自然放松，使人體在邁步時有一定的前進距離；第二，人體的膝關節(jié)在支撐階段的作用主要是吸收震蕩和積蓄能量，使人體在擺動階段能夠更方便地帶動小腿和足部進行運動。外骨骼機器人在設計之前須對人體步態(tài)進行分析，這是不可或缺的一環(huán)[12-13]，通過對人體結構等生物力學以及步態(tài)運動的研究，，揭示正常人體在步行時的關鍵特點和影響因素，對接下來研究外骨骼機器人的步態(tài)行走機理、步態(tài)控制策略和行走穩(wěn)定性的控制方法有極大的鋪墊及幫助作用。

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第二章 人體下肢結構分析與步態(tài)數(shù)據(jù)獲取

2.1 引言

下肢外骨骼機器人屬于可供穿戴的機器人一類，其最主要的特征就是安裝穿戴在人體表面，根據(jù)人體的運動意圖進行輔助運動。評定外骨骼機器人的標準之一就是外骨骼與人體運動的協(xié)調一致性，所以在建模與仿真設計時必須要考慮穿戴者的因素，外骨骼機器人擬人化的結構設計就成為了其在設計時必須要參照的一個重要指標。也就是說，在下肢外骨骼機器人的結構設計中需要滿足兩個特性：同構性和自適應性。在伴隨著人體運動的過程中外骨骼機器人需要貼合人體的骨骼，因此在對外骨骼機器人進行建模仿真之前需要對人體下肢結構和步態(tài)進行研究分析。

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2.2 人體下肢步態(tài)運動

對人體運動進行研究基本上是根據(jù)解剖學的知識而來的，最早開展對人體運動姿態(tài)的研究是 V.T.Inman 教授，他通過整理并在 1981 年著書《Human Walking》在其中對人體步態(tài)的研究進行了詳細的撰寫，為以后人體步態(tài)運動學的研究提供了大量的依據(jù)，他提出的人體步態(tài)三維空間平面劃分理論在之后的研究中得到了廣泛的應用[17]。在日常生活中我們?yōu)榱吮碚魑矬w的位置與方向建立了笛卡爾坐標系，而同理為了準確的表示人體各部位的位置與方向，我們也需建立坐標系將人體步態(tài)運動進行合理的劃分方便分析與處理，如圖 2.1 所示即人體在三維空間中的平面劃分以及運動軸，該劃分方式使人體在三維空間內的活動落在了三個基本平面內，即矢狀面、額狀面和水平面。

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第三章 仿人體下肢結構建模與控制系統(tǒng)設計................ 22

3.1 引言............... 22

3.2 仿人體下肢結構模型建立................22

第四章 下肢外骨骼機器人動力學仿真與分析...............40

4.1 引言................ 40

4.2 下肢外骨骼機械結構設計............... 40

第四章 下肢外骨骼機器人動力學仿真與分析

4.1 引言

下肢外骨骼的動力學分析我們采用 ADAMS(Automatic Dynamic AnalysisMechanical Systems)作為虛擬樣機方面的仿真軟件。ADAMS 由于其在機械系統(tǒng)靜力學、運動學及動力學分析方面有著極大的優(yōu)勢使其成為了目前世界上使用最多、性能最好的機械系統(tǒng)仿真軟件[59-60]。ADAMS 進行動力學分析的原理是：在對整體的多剛體系統(tǒng)建模過程中，基于典型的 Lagrange 建模方法完成對整個多剛體系統(tǒng)中對象的運動學方程搭建。此方法第一步是基于慣性參考系的模型下，利用系統(tǒng)中每個剛體質心的三個直角坐標來確定剛體運行的精準位置，并且利用三個歐拉角的準確數(shù)據(jù)來確定剛體方位；第二步為了更有效的對位置和方位值進行處理，將其轉換為可以適用于笛卡爾廣義坐標中，同時借助帶乘子的拉格朗日方程在約束條件下求極值方法，對有多余坐標的完整約束系統(tǒng)和非完整約束系統(tǒng)進行處理；最終在笛卡爾廣義坐標系下，將相關關鍵變量的運動學方程模型導出。通過利用導出的運動學方程可以準確的完成對整個剛性系統(tǒng)的模型搭建[61]。采用該軟件在虛擬樣機層次進行仿真可以避免我們在開發(fā)實際樣機時帶來的不必要的損失，也提高了我們的工作效率和工作的結果。

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4.2 下肢外骨骼機械結構設計

我們在設計下肢外骨骼的機械結構時主要考慮使其能夠適應各種條件，比如可以設計出能適合不同身高和體型的人群穿戴等。為了獲得最大的安全性與環(huán)境的最小碰撞，本課題組擬采用準擬人承載機構，即下肢外骨骼機器人腿和人腿的運動學規(guī)律只是類似，穿戴者和外骨骼只是在四肢剛性地連接著，其他部分柔性連接。由于運動學的差異，任何其他的剛性連接都會將巨大的力強加在穿戴者身上，而柔性的連接則允許穿戴者和外骨骼之間存在可以容忍的相對運動。不完全匹配人體運動學的另一好處是下肢外骨骼機器人比較容易滿足各種穿戴者的尺寸，下肢外骨骼機器人的實驗樣機設計方案如圖 4.1 所示。

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結論

下肢外骨骼機器人在軍事、醫(yī)療、救災等領域有著極大的應用前景和科學研究意義。本文的研究以仿人運動姿態(tài)結構建模與機構仿真為目標，致力于使外骨骼機器人能與穿戴者協(xié)調運動這個目標，結合人機仿生學、機械設計、控制、傳感等學科，通過對人體運動姿態(tài)的研究分析及結構建模仿真獲取機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)設計的方法。本文的主要研究內容如下：（1）對國內外各個研究機構及大學所做的外骨骼機器人進行調研，明確下肢外骨骼機器人的主要研究內容及需要解決的問題。然后本論文針對其中的一點開始研究，查閱大量相關文獻，確立研究方案。

參考文獻（略）

本文編號：554609