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髖關節助力機器人外骨骼研究
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  • 更新時間:2019-05-30
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  • 本文提出了一種新型的基于串聯彈性執行器(Serial Elastic Actuator)的髖關節助力機器人外骨骼,主要用于輔助穿戴者行走,降低穿戴者的行走負擔,提高其下肢運動能力和負重能力,同時盡可能的降低對穿戴者本身行走平衡的影響。
    首先,對人體行走的步態規律進行了探究,總結出正常步態周期內髖關節的生物特性和動作特點。在此基礎上得到了髖關節輔助外骨骼需要具有的特征和要求。
    然后,對串聯彈性執行器的結構模型進行了分析,通過其模型推導出傳遞函數,并據此對其性能進行了分析。
    接下來,設計出了符合需求的基于串聯彈性執行器的髖關節助力機器人外骨骼,每個執行單元采用??榛杓坪痛災蔥釁?,使其具有較高的扭矩重量比,同時降低對穿戴者本身行走平衡的影響。
    最后使用Creo建立三維結構模型,在Ansys中進行應力分析,驗證了其承載能力符合要求。在Adams/View中進行了仿真,得到其動力學特征。目 錄
    摘 要 3
    ABSTRACT 4
    1 緒論 7
    1.1 研究的背景與意義 7
    1.2 國內外的研究現狀 7
    1.3 本文主要研究的問題 11
    2 人體行走時的髖關節步態規律特征 12
    2.1 人體髖關節的結構模型 12
    2.2 髖關節的正常生物特性 13
    2.3 髖關節的運動學和動力學特征 15
    3 串聯彈性執行器的結構原理及特征 17
    3.1 SEA概述 17
    3.2 SEA模型推導 18
    3.3 SEA模型分析 19
    4 髖關節助力機器人外骨骼設計 22
    4.1 髖關節外骨骼基本性能要求 22
    4.2 髖關節外骨骼機械結構 23
    4.2.1 串聯彈性執行器 24
    4.2.2 平衡穩定器 27
    4.2.3 髖距調節器 30
    4.3 髖關節外骨骼有限元分析 31
    4.3.1 彈性元件 31
    4.3.2 扭力彈簧與諧波減速器之間的連桿 34
    4.3.3 扭力彈簧與力矩傳感器之間的連桿 34
    4.3.4 殼體 35
    5 髖關節外骨骼動力學仿真 36
    5.1 仿真前期準備 36
    5.2 仿真結果與分析 38
    6 總結與展望 40
    6.1 文章總結 40
    6.2 后期展望 41
    參考文獻 42
    致 謝 44


    1緒論
    1.1研究的背景與意義
    隨著老年人口比例的上升,社會問題日益嚴重。2015年世界人口在60歲以上的比例為12.3%,但到2050年預計為21.5%。人口老齡化將降低潛在支持率(PSR),潛在支持率指20 至64歲人口數量除以65歲及以上人口數量。到2050年,7個亞洲國家,24個歐洲國家和4個其他國家的PSR可能低于2。由于缺乏年輕的勞動力,老年人口保持獨立生活方式至關重要。然而,年老的肌肉力量,靈活性和平衡性都會降低。這些長久保持坐姿的生活方式和活動量少所導致的肌肉損傷極大的加劇了老年人腿部疾病的發生率。為了幫助老年人走得更遠,從而使他們能夠過上更自由和獨立的生活,許多研究人員正在開發外骨骼型可穿戴設備。
    目前設計的外骨骼缺乏提供維持穿戴式外骨骼系統橫向穩定性的功能。對于單自由度的外骨骼,當穿戴者行走時,其平衡維持需要借助拐杖或助行器,不適合仍具有一定運動能力的人使用。而多自由度的外骨骼由于增加了驅動數量也會存在體積和重量增大,為人們的正常行走帶來較大負擔。因此如何設計和控制一種能夠有效支持穿戴者同時不影響其行走穩定性的外骨骼系統,仍然是一個懸而未決的問題。
    1.2國內外的研究現狀
    Francesco Giovacchini等人于2015年研究了一種髖關節外骨骼輔助裝置,該裝置由一個水平的C形框架作為支架,圍繞使用者的臀部和骨盆的后部,并通過三個矯形外殼(兩個側面和一個后面)與身體軀干連接; 支架承載兩個驅動單元。如文獻[1]所述,該結構采用兩個2.5毫米厚的碳纖維橫臂實現,通過后直桿連接。后方放置外部導向裝置,其中兩個內部桿可以滑動:然后可以調節桿的長度以匹配兩個側向外殼之間的距離,以確保支架在內-外側方向上緊密地附接到上半身。兩個滑動桿可以通過一個快速分離銷鎖定,并使用絲杠機構細微地調整。為了進一步使穿著過程更容易,結構也可以完全分成兩部分(右和左)。 由于水平調節,人體和機器人髖關節屈伸軸和支架中心軸和導軌的垂直位置對其。此外,后方外殼固定在后桿上,并通過螺釘機構進行調節,以貼合人體腰部區域,正確傳遞輔助扭矩,外骨骼具有一個主動自由度,驅動單元為串聯彈性執行器以獲得較高的扭矩重量比,整個子系統總重量為0.8千克。在控制策略方面,上層采用了Ronsse等人在最近的工作中提出的一種無模型(它不需要任何關于步態動力學的先驗知識)算法。該算法利用自適應振蕩器(AOs)為LOPES外骨骼用戶提供髖部屈伸輔助。底層則采用基于扭矩的PID閉環控制。

    圖 1.1 髖關節外骨骼輔助裝置
    三星高級技術研究所開發了一種髖關節外骨骼,如圖 1.1所示。它設計用于在髖關節的伸展和屈曲中提供輔助扭矩。它輕巧,纖薄,舒適且功能強大。外骨骼由一對驅動器組成,這些驅動器為左右髖關節產生輔助力,腰部有一個髖關節支撐,一對大腿支撐架將助力扭矩從執行器傳遞到大腿。背面包括電池和CPU 的電子組件。外骨骼的重量減少到2.8千克。兩個70瓦BLDC電機安裝在髖關節附近,以產生輔助扭矩,產生的扭矩通過75:1多級齒輪系統傳遞到每個關節,沒有肌腱或彈性元件。每個關節在矢量平面上具有1個活動自由度(DOF),在活動DOF下方具有1個用于外展/內收的被動鉸鏈。運動范圍是45 /1200。臀部支架使用工程塑料制成,并涂有碳纖維,結構靈活,當內帶系統 固定時,它可以緊緊貼合骨盆。支架由多個部件組成,以便可以調節腰部和臀部周圍的寬度以適合不同...
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