一种外骨骼下肢康复机器人设计与性能研究.pdf

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1、中文摘要本文在调查人体步态、国内外研究进展和康复需求的基础上，设计出一种可实现正常人步态轨迹的外骨骼下肢康复机器人机械结构，在对其各项性能进行分析的基础上改进了设计，并制作出单腿样机，确定控制方案。论文主要研究内容及成果如下：1.分析了现有外骨骼下肢康复机器人的研究现状，开展了正常人步态轨迹捕捉试验，获得了正常人下肢运动规律，根据这一运动规律，将人体关节运动简化成矢状面的两自由度的连杆运动，从而确定了外骨骼机械腿的主体结构和驱动方式。2.依据实验中所获得的正常人步态轨迹，设计了一种外骨骼机器人机械结

2、构，确定了该结构的零部件尺寸，借助三维实体造型软件SolidWorks建立了该机器人结构的三维实体模型。3.对所建立的外骨骼机器人三维实体机械腿模型进行了运动学分析、动力学分析和静力学分析。通过运动学及仿真分析确定了能够满足设计要求的外骨骼腿结构及尺寸；通过动力学分析确定了电机转矩和关节角度之间的关系，并在此基础上完成了电机选型。通过静力学分析确定了主要零部件和机械腿整体结构的受力与变形，对其中不合理的结构进行了改进，从而确保了关键零件在运动过程中的强度要求。4.在三维实体模型的基础上绘制了外骨骼机

3、器人机械结构工程图并选购、加工各零部件，完成机器人单腿样机制作。在此基础上，确定了样机控制方案并实现了单腿样机的行走运动。关键词：外骨骼下肢康复机器人；结构设计；力学分析；控制方案IAbstractThepaperisdesigningakindoflowerlimbsrehabilitativeexoskeletonrobotandanalyzingitsmainperformancetoimprovetheundesiredstructure,finishingtheprototypeandde

4、terminingthecontrolstrategiesonthebasisofinvestinghumangaits,researchprogressathomeandabroadandrehabilitationneeds.Themaincontentsofthepaperandtheresultsaresummarizedasfollows:Weanalyzedtheresearchprogressoflowerlimbsrehabilitativeexoskeletonrobotanddi

5、dmotioncapturetest,sowedeterminetheruleofthelowerlimbmotion,andthenwesimplifiedthelowerlimbintotwoDOFlinkageinthesagittalplanesoastodeterminethebasicstructureoftheexoskeletonlegsanddrivemechanism.Throughthestudyofthenormalgait,wedesignedakindoflowerlim

6、brehabilitationexoskeletonrobotandcompletedthecalculationanddesignofthekeycomponentsandbuildthe3DmodelinSolidWorks.Withthehumannormalgaitdataobtainedinmotioncapturetestasinput,weanalyzedthe3Dmodelinkinematics,dynamicandstatic.Weensurethestructureofexos

7、keletonlegscanmeetthedesignrequirementsusingkinematicsanalysis,forexample,wecanensurethereisnocolisionandthescrewsarelongenoughtomeetanormalwalkingcycle.Throughdynamicanalysiswecandeterminetherelationshipbetweentorqueandjointangle,andselectthesuitablem

8、otoronthebasisofanalysis.Wecanalsodeterminestheforceanddeformationofthemaincomponentsandthewholemechanicallegsbyusingstaticanalysis,andoptimizetheunreasonablestructure,suchasthesupportingframe,sowecanensurethatthekeycomponentswillnotbef