下肢外骨骼助力机器人设计研究

下肢外骨骼助力机器人设计研究李巍巍2014年02月中图分类号：UDC分类号：下肢外骨骼助力机器人设计研究作者姓名李巍巍学院名称机械与车辆学院指导教师张虎副教授答辩委员会主席张之敬教授申请学位工学硕士学科专业机械工程学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2014年02月DesignresearchofthelowerextremityexoskeletonrobotCandidateName：WeiweiLiSchoolorDepartment:MechanicalEngineeringFacultyMentor:AssciateProf.ZhanghuChair,ThesisCommittee：Prof.ZhijingZhangDegreeApplied:MasterofEngineeringMajor：MechanicalEngineeringDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence：February，2014下肢外骨骼助力机器人设计研究北京理工大学研究成果声明本人郑重声明：所提交的学位论文是我本人在指导教师的指导下进行的研究工作获得的研究成果。尽我所知，文中除特别标注和致谢的地方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京理工大学或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。特此申明。签名：日期：关于学位论文使用权的说明本人完全了解北京理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括：①学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；②学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；③学校可允许学位论文被查阅或借阅；④学校可以学术交流为目的,复制赠送和交换学位论文；⑤学校可以公布学位论文的全部或部分内容（保密学位论文在解密后遵守此规定）。签名：日期：导师签名：日期：北京理工大学硕士学位论文I摘要外骨骼助力机器人是一种穿戴于人体上、随身为人体提供助力、协助人体行走的助力装置。同轮式助力装置相比，他具有携行方便、动力强劲等诸多优点，适用于多种恶劣环境下，这使得外骨骼助力机器人能够很好地满足未来单兵作战重负载、长距离运输下的作战要求，同时也在抢险、救火、医疗等民用领域有着广泛的用途。本文通过对国内外外骨骼助力机器人发展的研究，提出了机器人机械结构、液压驱动、电气控制的总体设计方案。通过对不同驱动方式的比较，获得合理的机器人驱动方式；对人脑控制人体的行走过程进行分析，研究合理的信号检测与传感器布置方式；研究机器人的行走动力学方程，提出可靠的控制策略，建立稳定、快捷的控制反馈方程；最后对人体结构与人体行走运动机理进行分析，得到外骨骼助力机器人的机械结构原型。在提出总体方案的基础上，对人体运动及CGA数据进行进一步分析，从而获得外骨骼助力机器人运动所需角度、力矩与功率，在此基础上进行结构与驱动的优化设计，获得外骨骼助力机器人的最终样机。并对样机三维模型进行运动仿真与动力学建模，为控制方程建立提供基础和验证条件，在控制策略合理性得到验证的基础上制造外骨骼助力机器人实物样机，进行进一步的试验与分析。关键词：外骨骼，人机结合，结构设计，强度校核，动力学分析北京理工大学硕士学位论文IIAbstractThelowerextremityexoskeletonisakindofsupportingsystemwhichisworninthehumanbodytoprovidepowerforthehumanbody.Comparedwiththesupportingsystemusingwheel,ithasstrongadvantagesjustlikeeasytotakewithmorepowerfulandsoon.Theseadvantagesnotonlysatisfytherequireofthesolidersinthefuturewhomusthavelongdistancemovementwithheavyload,butalsowillbewidelyusedintheemergencyrescue,firefightingandmedicaltreatment.Thisarticleputsforwardtheexoskeleton’soverallconceptdeignofthestructure,driveandcontroldesignthroughtheresearchofdevelopmentofthelowerextremityexoskeletonindomesticandoverseas.Basedonthecomparisonofdifferentdrivingmode,weobtainreasonabledrivingmode;Byanalyzingtheprocesshowthebraincontrolhumanwalking,weresearchthereasonablesignaldetectionandsensorarrangement;Researchingtherobotdynamicsequation,thispaperputsforwardthereliablecontrolstrategyandestablishesstableandfastcontrolfeedbackequation;Finally,bytheanalysisofthehumanbodystructureandmechanismofhumanwalking,wegainthestructuremodeofthelowerextremityexoskeleton.Basedontheoverallconceptdeign,wemakefurtherresearchofthehumanbodymovementandCGAdata,soastoachieverequiredangle,torqueandpowertosatisfythemovementofthelowerextremityexoskeleton.Wecanhaveoptimaldesignofthestructureandthedrivemodeonthatbasistogetthefinalprototypeofthelowerextremityexoskeleton.Thenwecreatemotionsimulationanddynamicsmodelingof3Dmodeloftheprototypetoprovidebasisandtestconditionsforthecreatingofthecontrolequation.Finally,wemanufacturethephysicalprototypeofthelowerextremityexoskeletononthebasisofverifyingtherationalityofthecontrolstrategytomakefurthertestandanalysis.KeyWords:Exoskeleton;Man-machineintegration;structuraldesign;strengthcheck;kineticanalysis北京理工大学硕士学位论文III目录第1章绪论................................................11.1本课题研究的背景目的和内容......................................11.1.1课题研究背景............................................11.1.2课题研究目的............................................21.1.3课题研究内容............................................21.2国内外研究现状及发展趋势.......................................21.2.1国外外骨骼助力机器人的发展..............................21.2.2国内外骨骼助力机器人研究现状............................7第2章人体下肢运动生物学原理及外骨骼设计要求..............92.1人体下肢骨骼生物学结构.........................................92.1.1下肢骨骼结构............................................92.1.2关节自由度分析.........................................102.2人体步态分析..................................................132.3下肢外骨骼助力机器人机械结构设计要求..........................142.3.1外骨骼空间构型设计要求.................................142.3.2仿人形结构与非仿人形结构...............................152.3.3外骨骼关节布位要求.....................................162.3.4基于ZMP模型的步态稳定性控制...........................172.4人体CGA数据分析与外骨骼助力机器人运动参数确定................182.4.1髋，膝，踝关节运动角度的CGA数据分析...................192.4.2髋，膝，踝关节运动扭矩的CGA数据分析...................212.4.3髋，膝，踝关节运动瞬时功率的CGA数据分析...............232.5本章小结......................................................26第3章外骨骼构型设计.....................................273.1机器人下肢各关节自由度概述....................................273.1.1机器人髋关节自由度分析.................................273.1.2机器人膝关节自由度分析.................................283.1.3机器人踝关节自由度分析.................................293.2机器人髋关节构型设计..........................................293.2.1髋关节运动副初选.......................................293.2.2依据自由度条件的约束机构建模...........................303.3机器人膝关节构型设计..........................................313.4机器人踝关节构型设计..........................................323.5外骨骼构型方案................................................323.6本章小结......................................................36第4章外骨骼助力机器人结构设计...........................374.1