人体下肢外骨骼康复藤机器人的研究

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1、论文分类号：２学校代码：１０７０８学号：１５０５０１３（Ｍ＾＾＾ＡｆＳＨＡＡＮＸＩＵＨＵＶＥＲＳＩＴＹＯＦＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ硕士学位论文Ｔ’ｈｅｓｉｓｆｏｒＭａｓｔｅｒｓＤｅｇｒｅｅ人体下肢外骨骼康复机器人的研究ＩＩｔｅＷＷｉ；：桓＼茜＾指导教师姓名：夏田教授ｌｌ对，学科名称：机械制作及其自动化论文提交日期：２０１８年４月论文答辩日期：２０１８年５月学位授予单位：陕西科技大Ｕ学Ｉ■＾——圓ｍｍｗａｍｍResearchonHu

2、manLowerLimbExoskeletonRehabilitationRobotAThesisSubmittedtoShaanxiUniversityofScienceandTechnologyinPartialFulfillmentoftheRequirementfortheDegreeofMasterofEngineeringScienceByHuanXiSupervisor:Prof.TianXiaMay2018人体下肢外骨骼康复机器人的研究摘要下肢外骨骼康复机器人是针对下肢存在行走障碍的老年人或残疾人所设计的一款可穿戴仿人

3、型动力装置。该装置主要应用在医学领域，目的是给下肢存在运动障碍的患者提供助力行走。根据对国内外下肢外骨骼康复机器人发展状况以及关键技术的掌握，设计出电机驱动的多自由度下肢外骨骼康复机器人，为完成该装置的研究，本文主要从以下几个方面展开：（1）三维模型的建立以及静力学分析：依据人机工程学理论，确定下肢各个关节部位的结构类型和尺寸。采用电机驱动的方式，完成电机型号和部分配套零部件的选取。基于电机在下肢髋关节和膝关节处的不同布位原则，设计出2款不同类型的下肢外骨骼机器人三维模型，对不同位姿状态下的外骨骼各关节进行静力学分析，仿真出髋关节和膝

4、关节在不同运动角度下结构的应力和变形。（2）运动学研究：根据人体下肢各个关节的运动机理，建立下肢D-H数学模型，推导出了一个步态周期内髋关节、膝关节、踝关节和脚尖的运动学方程。运用ADAMS仿真分析，得到了髋关节、膝关节和踝关节的坐标变化曲线，表明各关节在空间中具有连续的运动轨迹，并且各关节仿真曲线符合理论分析。（3）动力学研究：在一个步态周期内，依据正常人体下肢行走特点，建立脚部与地面接触的三种支撑模式的动力学模型，即单腿支撑模式、双脚完全触地支撑模式、双脚不完全触地站立模式，运用拉格朗日方法对下肢各个关节力矩进行了求解，为后续章节

5、的分析提供数学模型。（4）步态规划的研究：依据ZMP稳定性判定理论，对人体下肢步态进行规划。运用MATLAB中的X=csapi（x，y）函数对五点步态规划法建立的方程进行求解。根据已知的动态行走轨迹方程，调整下肢模型参数，仿真出下肢外骨骼机器人的ZMP轨迹曲线，通过对其分析可知，该ZMP轨迹曲线符合人体步态稳定性要求，肯定了模型参数设置的合理性。（5）控制算法的设计：根据设计目标所需，采用鲁棒自适应PD控制算法，在MATLAB/simulink环境中，对下肢外骨骼的动力学模型进行稳定性分析，由仿真结果可知，系统模型在阶跃信号ω扰动下的

6、响应时间短，各关节的位置跟踪误差曲线也能很快趋于0，证明了鲁棒自适应PD算法具有I良好的稳定性。依据导入在仿真程序中的动力学模型，仿真出髋关节和膝关节的力矩变化曲线。最后，搭建一款简易实验样机。通过上述理论知识的研究，为之后外骨骼康复机器人的进一步研究打下扎实基础。关键词：结构设计，运动学，动力学，步态规划，鲁棒自适应控制IIResearchonHumanLowerLimbExoskeletonRehabilitationRobotABSTRACTLowerlimbexoskeletonrehabilitationrobotisawe

7、arablehumanoiddynamicdevice,whichisdesignedforelderlyordisabledpersonswithwalkingdisordersinthelowerlimbs.Thedeviceismainlyusedinmedicalfieldtoprovideassistanceforthepatientswithlowerextremitydyskinesia.Basedontheresearchstatusoflowerlimbexoskeletonrehabilitationrobotan

8、dthemasteringofkeytechnology,amulti-degree-of-freedomexoskeletonrehabilitationrobotdrivenbymotorisdesignedinth