下肢外骨骼結構設計與控制
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- 外骨骼廣泛存在于自然界，許多動物都有不同形式的外骨骼，諸如犰狳的鎧甲，穿山甲的鱗片。本質上都是一種可以給他們提供保護的堅硬外部結構，幫助他們抵御天敵，躲避自然災害。人類從生物學中得到啟示，發現外骨骼所具有的巨大潛力，并希望設計一種外骨骼來幫助運動機能受損的人類。因此近些年來許多研究單位和高校都致力于開發能為人體提供支持和保護的外骨骼機器人。作為一種全新領域的機器人，它不僅可以幫助那些肢體受損的殘障人士恢復行走，還可以增強人體的負重水平，故可用于交通、建筑、機械、軍事、醫護等各個領域。
目前已知的下肢外骨骼大多為了實現快速精確的運動控制，采用傳統驅動形式，將剛性驅動器安裝在主動關節的位置上，使得結構龐大復雜，重量居高不下最終使得關節位置與人體契合度不高，穿戴不便舒適性降低。針對以上問題，本文主要研究人體下肢的運動機理，分析閱讀國內外最新下肢外骨骼的研究情況，形成自己獨立的思考。開發一種全新的下肢外骨骼，設計完成其主體結構和各項配置。力求達到輕量化、小型化的設計目標，本文創新性的采用了繩驅的方式，將驅動器與下肢外骨骼本體分離，驅動器統一安裝于背部，從而減少穿戴患者負擔。最后，對其硬件例如主控器、傳感器、電機及驅動器等進行選型，在LabVIEW環境編程，對控制方案進行設計，搭建運動控制的試驗平臺，最終對該下肢外骨骼的結構和控制方案進行驗證。外骨骼廣泛存在于自然界，許多動物都有不同形式的外骨骼，諸如犰狳的鎧甲，穿山甲的鱗片。本質上都是一種可以給他們提供保護的堅硬外部結構，幫助他們抵御天敵，躲避自然災害。人類從生物學中得到啟示，發現外骨骼所具有的巨大潛力，并希望設計一種外骨骼來幫助運動機能受損的人類。因此近些年來許多研究單位和高校都致力于開發能為人體提供支持和保護的外骨骼機器人。作為一種全新領域的機器人，它不僅可以幫助那些肢體受損的殘障人士恢復行走，還可以增強人體的負重水平，故可用于交通、建筑、機械、軍事、醫護等各個領域。
目前已知的下肢外骨骼大多為了實現快速精確的運動控制，采用傳統驅動形式，將剛性驅動器安裝在主動關節的位置上，使得結構龐大復雜，重量居高不下最終使得關節位置與人體契合度不高，穿戴不便舒適性降低。針對以上問題，本文主要研究人體下肢的運動機理，分析閱讀國內外最新下肢外骨骼的研究情況，形成自己獨立的思考。開發一種全新的下肢外骨骼，設計完成其主體結構和各項配置。力求達到輕量化、小型化的設計目標，本文創新性的采用了繩驅的方式，將驅動器與下肢外骨骼本體分離，驅動器統一安裝于背部，從而減少穿戴患者負擔。最后，對其硬件例如主控器、傳感器、電機及驅動器等進行選型，在LabVIEW環境編程，對控制方案進行設計，搭建運動控制的試驗平臺，最終對該下肢外骨骼的結構和控制方案進行驗證。
關鍵詞：下肢外骨骼；機械設計；運動控制程序
ABSTRACT
The exoskeleton is widespread in nature, and many animals have different forms of exoskeletons, such as the armor of a mandarin duck and scales of pangolins. Essentially, it is a hard external structure that can provide them with protection, helping them to resist natural enemies and avoid natural disasters. Humans have been inspired by biology and found that the exoskeleton has great potential, and he hopes to design an exoskeleton to help humans with motor impairment. Therefore, in recent years, many research institutes and universities have devoted themselves to developing exoskeleton robots that can provide support and protection for the human body. As a brand-new robot, it can not only help those physically disabled people with disabilities to resume walking, but also increase the body's weight-bearing capacity. It can be used in various fields such as transportation, construction, machinery, military, and medical care.
Currently known exoskeleton of the lower extremity is mostly used for fast and accurate motion control. The conventional drive form is adopted. The rigid driver is installed on the position of the active joint, so that the structure is large and complex, and the weight is high and the joint position is not compatible with the human body. High, inconvenient wearable comfort is reduced. In view of the above problems, this paper mainly studies the movement mechanism of the lower limbs of the human body and analyzes the research situation of the latest exoskeleton exoskeletons at home and abroad to form their own independent thinking. Develop a brand new lower limb exoskeleton designed to complete its main structure and configuration. In order to achieve the goal of lightweight and miniaturization, this article innovatively adopts the rope drive method to separate the driver from the exoskeleton body of the lower extremity and install the driver on the back, thereby reducing the burden on the patient. Finally, select the hardware such as master controller, sensors, motors, and drivers, program in the LabVIEW environment, design the control scheme, build a motion control test platform, and finally perform the structure and control scheme for the exoskeleton exoskeleton. verification.
Key words: Lower limb exoskeleton robot；mechanical design；motion control program
目 錄
摘 要 i
ABSTRACT i
目 錄 I
第一章 緒論 1
1.1 課題來源及研究意義 1
1.1.1 課題來源 1
1.1.2 研究意義 1
1.2 下肢外骨骼研究現狀及發展趨勢 2
1.2.1 國內外研究現狀 2
1.2.2 驅動形式 4
1.3 本文研究內容 5
第二章 下肢外骨骼總體方案設計 5
2.1 人體下肢運動規律 5
2.1.1 人體基本面和基本軸 5
2.1.2 人體下肢運動機理 6
2.2 設計原則 7
2.3 整體方案 7
2.3.1 整體方案 7
2.3.2 整體尺寸 8
2.4 本章小結 9
第三章 下肢外骨骼結構設計 10
3.1繩驅動線盤結構設計 10
3.2 髖關節及膝關節結構設計 11
3.2.1 髖關節結構 11
3.2.2 膝關節結構 12
3.2.3 關鍵軸 13
3.3 大腿及小腿結構設計 14
3.4 踝關節及足部設計 14
3.5 驅動器設計 15
3.6 本章小結 15
第四章 下肢外骨骼運動學分析和零部件校核 17
4.1 D-H 模型運動學及運動空間分析 17
4.1.1 D-H 模型模型運動學正解 17
4.1.3 運動空間分析 20
4.2 膝部以下人機連接的運動學分析 21
4.3 關鍵零件和結構的校核 21
4.3.1 主要軸的強度和剛度校核 22
4.3.2 軸承的壽命校核 25
4.3 本章小結 26
第五章 變剛度驅動器運動控制實驗 27
5.1 平臺硬件選型 27
5.1.1 控制器的選擇。 27
5.1.2 電機選擇 28
5.1.3 編碼器選型 28
5.1.4 驅動器選型 28
5.2 程序設計 29
5.21 Labview開發環境 29
5.2.2 初始化程序設計 29
5.2.3 數據采集程序設計 29
5.4.4 PD控制程序設計 29
5.3 階躍響應實驗 30
5.3.1 實驗過程 30
5.3.2 實驗結果分析 30
5.4 本章小結 30
第六章 總結與展望 30
6.1 工作總結 30
6.2 工作展望 31
參考文獻 32
致謝 35
附錄 36
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