在外骨骼研究中,機(jī)器和人體的耦合運(yùn)動(dòng)匹配是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要要求。如果二者運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生干涉或者阻礙,穿戴者的關(guān)節(jié)將受到傷害。因此,了解運(yùn)動(dòng)過程中的生物關(guān)節(jié)共軛曲面是設(shè)計(jì)與人體協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)的外骨骼機(jī)器人的基礎(chǔ)。但是生物關(guān)節(jié)表面是非線性曲面,關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)十分復(fù)雜,其轉(zhuǎn)動(dòng)中心不斷變化,給關(guān)節(jié)共軛曲面的測量帶來了挑戰(zhàn)。本文以膝關(guān)節(jié)為研究對象,把膝關(guān)節(jié)共軛曲面的數(shù)學(xué)描述等效成脛骨端和股骨端的相對運(yùn)動(dòng),提出了一種等效膝關(guān)節(jié)共軛曲面的測量方法。基本思路是通過檢測隨關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的柔性外骨骼變形,反演脛骨和股骨的相對運(yùn)動(dòng),重構(gòu)等效的關(guān)節(jié)共軛曲面。本文基于柔性梁三維大變形模型,推導(dǎo)得到了柔性梁應(yīng)變-曲率-變形之間的關(guān)系。結(jié)合模態(tài)疊加原理,基于有限測點(diǎn)的應(yīng)變信息求解關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。并設(shè)計(jì)了一款內(nèi)嵌應(yīng)變傳感器的柔性外骨骼。通過ABAQUS仿真,驗(yàn)證了柔性梁變形理論模型的準(zhǔn)確性。通過實(shí)驗(yàn)標(biāo)定了傳感器的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測量誤差,結(jié)果表明傳感器在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)過程中具有較高的測量精度,測量結(jié)果能夠較好地反映膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),驗(yàn)證了該方法對關(guān)節(jié)共軛曲面測量的可行性。最后,在實(shí)驗(yàn)者坐姿狀態(tài)下,利用柔性外骨骼檢測膝關(guān)節(jié)自由屈伸運(yùn)動(dòng),重構(gòu)了非負(fù)重情況下的...

【文章頁數(shù)】：64 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

圖1-1不同用途的外骨骼設(shè)計(jì)

圖1-1不同用途的外骨骼設(shè)計(jì)膝關(guān)節(jié)共軛曲面測量發(fā)展需求外骨骼的設(shè)計(jì)中，外骨骼與人體的結(jié)構(gòu)匹配和運(yùn)動(dòng)匹配是其正常工作的一個(gè)重要要求。在運(yùn)動(dòng)過程中，外骨骼的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)和自由度分布與人體關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)及自由度分布必須保持高度一致或者柔性耦合，如果在運(yùn)動(dòng)過程中，二者運(yùn)動(dòng)發(fā)生干涉，甚至阻礙運(yùn)動(dòng)....

圖1-1膝關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)模型

狀面內(nèi)還會發(fā)生平移運(yùn)動(dòng)。根據(jù)人體膝關(guān)節(jié)的核磁共振圖像，H.Iwaki和M.A.RFreeman[19]等人均提出了雙圓心模型，將膝關(guān)節(jié)接觸處股骨形狀建模成不同圓心不同半徑的兩個(gè)圓面部分的拼接，將脛骨形狀建模成一段折線，利用兩者的配合來模擬膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)副。Kok-MengLe....

圖2-1膝關(guān)節(jié)解剖結(jié)構(gòu)

2膝關(guān)節(jié)等效共軛運(yùn)動(dòng)曲面面的準(zhǔn)確測量是設(shè)計(jì)下肢外骨骼的基礎(chǔ)。膝關(guān)節(jié)共精確程度決定了外骨骼與人體的協(xié)調(diào)程度。同時(shí)，不需要的傳感器以及需要測量的模型參數(shù)也不同。因型是進(jìn)行下肢外骨骼關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)副設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，并且種新的膝關(guān)節(jié)等效共軛曲面的建模思想，并基于此關(guān)節(jié)相對運(yùn)動(dòng)描述的參數(shù)。討論膝關(guān)....

圖2-2膝關(guān)節(jié)相對運(yùn)動(dòng)模型

分析運(yùn)動(dòng)十分復(fù)雜。由膝關(guān)節(jié)的核磁共振圖完全復(fù)制其輪廓和運(yùn)動(dòng)幾乎不可能。因十分復(fù)雜不易進(jìn)行。膝關(guān)節(jié)共軛曲面近似，通過幾何近似推導(dǎo)關(guān)節(jié)的動(dòng)力學(xué)及雙橢圓模型等。計(jì)過程中，膝關(guān)節(jié)共軛曲面測量建模脛骨和股骨形狀的幾何近似。即可以建膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的外部表現(xiàn)，而膝關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)等效共軛曲線模型，根據(jù)測....

本文編號：3996843