變剛度下肢外骨骼機(jī)器人
- 文件介紹：
- 該文件為 docx 格式，下載需要 20 積分
- 從 1960 年開始，外骨骼經(jīng)過幾十年的研究，取得很大的進(jìn)展。外骨骼技術(shù)把機(jī)器人技術(shù)和醫(yī)療技術(shù)結(jié)合起來(lái)，已經(jīng)應(yīng)用于殘障人士康復(fù)上�？祻�(fù)型外骨骼負(fù)載較小，所以一般采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)。但是，剛性電機(jī)驅(qū)動(dòng)會(huì)限制人體的柔性，阻礙人機(jī)交互，產(chǎn)生沖擊，導(dǎo)致穿戴不適甚至傷害。因此，本文設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)緊湊、輕捷方便的可穿戴變剛度柔性下肢外骨骼。相對(duì)于剛性驅(qū)動(dòng)，變剛度驅(qū)動(dòng)（VSA-Variable Stiffness Actuator）具有緩沖、抗沖擊、儲(chǔ)能、更加順應(yīng)人體的優(yōu)點(diǎn)，達(dá)到穿戴舒適、運(yùn)動(dòng)柔順的目的。
本文根據(jù)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，根據(jù)人體運(yùn)動(dòng)規(guī)律，選擇合適的電機(jī)和諧波減速器器，設(shè)計(jì)剛度可調(diào)的膝關(guān)節(jié)和串聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)（SEA-Serial Elastic Actuator）的髖關(guān)節(jié)， 設(shè)計(jì)被動(dòng)踝關(guān)節(jié)。同時(shí)，選取合適的傳感器、驅(qū)動(dòng)器和編碼器，確保下一步的控制， 考慮到重量和強(qiáng)度問題，本設(shè)計(jì)主要零件采用碳纖維板。最后，對(duì)關(guān)鍵零件進(jìn)行強(qiáng)度校核，對(duì)整體樣機(jī)進(jìn)行質(zhì)量評(píng)估，繪制零件圖和裝配圖，外送加工。從 1960 年開始，外骨骼經(jīng)過幾十年的研究，取得很大的進(jìn)展。外骨骼技術(shù)把機(jī)器人技術(shù)和醫(yī)療技術(shù)結(jié)合起來(lái)，已經(jīng)應(yīng)用于殘障人士康復(fù)上�？祻�(fù)型外骨骼負(fù)載較小，所以一般采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)。但是，剛性電機(jī)驅(qū)動(dòng)會(huì)限制人體的柔性，阻礙人機(jī)交互，產(chǎn)生沖擊，導(dǎo)致穿戴不適甚至傷害。因此，本文設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)緊湊、輕捷方便的可穿戴變剛度柔性下肢外骨骼。相對(duì)于剛性驅(qū)動(dòng)，變剛度驅(qū)動(dòng)（VSA-Variable Stiffness Actuator）具有緩沖、抗沖擊、儲(chǔ)能、更加順應(yīng)人體的優(yōu)點(diǎn)，達(dá)到穿戴舒適、運(yùn)動(dòng)柔順的目的。
本文根據(jù)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，根據(jù)人體運(yùn)動(dòng)規(guī)律，選擇合適的電機(jī)和諧波減速器器，設(shè)計(jì)剛度可調(diào)的膝關(guān)節(jié)和串聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)（SEA-Serial Elastic Actuator）的髖關(guān)節(jié)， 設(shè)計(jì)被動(dòng)踝關(guān)節(jié)。同時(shí)，選取合適的傳感器、驅(qū)動(dòng)器和編碼器，確保下一步的控制， 考慮到重量和強(qiáng)度問題，本設(shè)計(jì)主要零件采用碳纖維板。最后，對(duì)關(guān)鍵零件進(jìn)行強(qiáng)度校核，對(duì)整體樣機(jī)進(jìn)行質(zhì)量評(píng)估，繪制零件圖和裝配圖，外送加工。
關(guān)鍵詞：下肢外骨骼；柔性關(guān)節(jié)；變剛度驅(qū)動(dòng)器；串聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)
ABSTRACT
Since 1960, great progress has been made in the study of exoskeletons, which combine robotics with medical technology and have been used in patient rehabilitation. The convalescent exoskeleton has a small load, so it is generally driven by electric motors. However, rigid motor drive will limit the flexibility of the human body, hinder human- computer interaction, and generate impact, resulting in discomfort and even injury. Therefore, a compact, lightweight and convenient wearable flexible lower limb exoskeleton with variable stiffness is designed in this paper. Variable Stiffness, relative to the rigid driver drive (VSA - Variable Stiffness physical) with a buffer, impact resistant, energy storage, more to keep up with the advantages of the human body to wear comfortable, sport, silky purpose.
According to the research status at home and abroad, according to the laws of the human body movement, choose the appropriate harmonic reducer, motor and design Adjustable Stiffness (AwAS - Actuator with Adjustable Stiffness) of the knee joint, and rigidity regulation (SEA - Serial Elastic Actuator) of the hip, design of passive ankle. At the same time, the selection of appropriate sensors, drivers and encoders, to ensure the next step of control, considering the weight and strength issues, the design of the main parts using carbon fiber plate. Finally, the key parts of the strength check, the overall prototype quality assessment, drawing parts and assembly drawings.
Key words: Lower Extremity Exoskeleton; Flexible Joint; Variable Stiffness Actuator; Serial Elastic Actuator
目 錄
摘 要 I
ABSTRACT II
第 1 章 緒論 1
1.1研究背景及意義 1
1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 2
1.2.1國(guó)外發(fā)展?fàn)顩r 2
1.2.2國(guó)內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r 4
1.2.3柔性驅(qū)動(dòng)器的發(fā)展?fàn)顩r 5
1.3本論文的主要設(shè)計(jì)內(nèi)容和工作 7
第 2 章 下肢外骨骼機(jī)器人總體方案 8
2.1人體運(yùn)動(dòng)機(jī)理簡(jiǎn)述 8
2.1.1人體基本面與軸 8
2.1.2人體下肢運(yùn)動(dòng)原理 9
2.1.3人體下肢運(yùn)動(dòng)規(guī)律 9
2.2設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 10
2.3總體方案 10
2.3.1整體方案 10
2.3.2整體尺寸和重量 11
2.4本章小結(jié) 13
第 3 章 下肢外骨骼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 14
3.1柔順驅(qū)動(dòng)器以及硬件選擇 14
3.2腰桿、背板和髖關(guān)節(jié) 16
3.2.1腰桿和背板 16
3.2.2髖關(guān)節(jié) 17
3.3大腿和膝關(guān)節(jié) 19
3.4小腿和踝關(guān)節(jié) 22
3.5腳板部分 23
3.6本章小結(jié) 23
第 4 章 關(guān)鍵零部件靜力學(xué)分析 25
4.1螺紋連接強(qiáng)度校核 25
4.1.1背板和腰桿的連接 25
4.1.2腰桿和髖連接板的連接 26
4.2關(guān)鍵軸的校核 27
4.2.1髖關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸 27
4.2.2膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸 28
4.2.3踝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸 29
4.3ANSYS 分析 30
4.3.1軸的 ANSYS 分析 30
4.3.2髖連接板的 ANSYS 的分析 32
4.3.3大腿的 ANSYS 分析 33
4.4本章小結(jié) 34
第 5 章 總結(jié)與展望 35
5.1 總結(jié) 35
5.2 展望 35
致 謝 39
第 1 章 緒論
1.1研究背景及意義
外骨骼 (Exoskeleton)的提出源于生物學(xué)中昆蟲和有殼類動(dòng)物的堅(jiān)硬外殼, 有殼類生物利用外骨骼支撐身體，防衛(wèi)天敵，增強(qiáng)自身的運(yùn)動(dòng)能力，外骨骼對(duì)于這類生物來(lái)說(shuō)是不可或缺的 [1]。人們基于這一概念，結(jié)合機(jī)器人技術(shù)發(fā)展了可穿戴外骨骼機(jī)器人。外骨骼機(jī)器人的作用是巨大的，比如說(shuō)醫(yī)用康復(fù)外骨骼機(jī)器人可用于運(yùn)動(dòng)機(jī)能受損的病人的康復(fù)訓(xùn)練;助力外骨骼可用于幫助老人或者運(yùn)動(dòng)能力較弱的人群進(jìn)行正常的工作；軍用外骨骼可用于提高士兵的作戰(zhàn)能力，這對(duì)于打造超級(jí)戰(zhàn)士來(lái)說(shuō)是一種可靠的方法�？梢�，助力外骨骼機(jī)器人、醫(yī)療康復(fù)機(jī)器人、軍用外骨骼機(jī)器人等各種類型、功能的外骨骼機(jī)器人將在未來(lái)社會(huì)發(fā)揮重要作用[2]。
在我國(guó)，社會(huì)老齡化的問題越來(lái)越嚴(yán)重、殘疾人比例逐年上升，下肢康復(fù)機(jī)器人成為社會(huì)關(guān)注的一個(gè)熱點(diǎn)[3]。現(xiàn)在康復(fù)外骨骼一般為通過設(shè)置正常的步態(tài)，對(duì)病人進(jìn)行步態(tài)模擬訓(xùn)練，讓病人進(jìn)行接近正常人的活動(dòng)以刺激神經(jīng)系統(tǒng)，從而幫助下肢運(yùn)動(dòng)障礙患者恢復(fù)和重建行走能力[4]。研究表明，下肢康復(fù)外骨骼可以有效地提高康復(fù)效果，節(jié)省康復(fù)醫(yī)師工作負(fù)擔(dān)[5]。
然而，對(duì)于如今的大部分外骨骼機(jī)器人來(lái)說(shuō)，驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)一般都是剛性的。而仿生學(xué)研究表明，生物關(guān)節(jié)的剛度都是隨著不同的運(yùn)動(dòng)需要進(jìn)行改變的，比如說(shuō)人在劇烈運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，為了減少對(duì)骨骼或肌肉的損害，膝關(guān)節(jié)處的剛度會(huì)變得較小，以便對(duì)沖擊進(jìn)行緩沖；而在休閑運(yùn)動(dòng)比如說(shuō)行走時(shí)候則需要較大的剛度，以便進(jìn)行實(shí)時(shí)的反應(yīng)，改變行走方向或速度等[6]。此外，剛性結(jié)構(gòu)不具備緩沖的功能，在外部沖擊下容易導(dǎo)致外骨骼損壞甚至對(duì)人體造成傷害。由此可知，變剛度的外骨骼才能更好的適合于穿戴和提供助力，才能更好地實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)的人機(jī)交互，使人們有更好的體驗(yàn)。
因此，本文通過了解國(guó)內(nèi)外變剛度驅(qū)動(dòng)器的研究現(xiàn)狀，學(xué)習(xí)比較變剛度結(jié)構(gòu)， 優(yōu)化運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)、優(yōu)化連接方式和連接件的尺寸形狀使結(jié)構(gòu)緊湊、選擇合適的材 料減少整體重量；在采用柔性機(jī)構(gòu)進(jìn)行剛度控制的基礎(chǔ)上，選擇更加合適的驅(qū)動(dòng)器、諧波減速器以及傳動(dòng)結(jié)構(gòu)以達(dá)到性能要求；最后綜合設(shè)計(jì)一款變剛度下肢外骨骼 機(jī)器人，優(yōu)化細(xì)節(jié)連接，設(shè)計(jì)好內(nèi)襯綁帶，保證人機(jī)交互過程中的安全性、功能性、
...
熱門關(guān)鍵詞： 
