负重外骨骼下肢力学分析及结构设计

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外骨骼是一种对生物柔软器官进行保护的坚硬外部结构。本文研究的是一种为人提供助行、助力的可穿戴机械装置。外骨骼拥有机器人的高负荷能力、长时间工作能力,在军事、康复和工程领域上具有广泛的应用价值。本文通过对人体步态分析、外骨骼结构设计、运动学、动力学分析、并通过ADAMS进行了仿真分析和实验研究。设计了一款负重型下肢外骨骼。本文主要研究内容和成果如下:  1.通过对人体下肢结构、自由度和运动范围等进行分析,得到了外骨骼设计的基本参数。对人体行走过程中的步态周期进行详细的分析,得出人体行走过程中关节的角度曲线和力矩曲线。  2.使用Solidworks对外骨骼机器人进行整体三维建模,并着重设计了髋关节、膝关节、踝关节和高度调节装置。对各部位进行有限元仿真分析和对关节驱动力进行了计算,为驱动器的设计提供理论依据。  3.对外骨骼进行运动学建模,验证了不同姿态下外骨骼模型坐标的正确性。运用拉格朗日功能平衡法对外骨骼机器人进行动力学分析,得到外骨骼关节的力矩方程。将角度CGA数据通过MATLAB拟合得出角度方程代入力矩方程,得到外骨骼在行走过程中的驱动关节力矩曲线。将得出的力矩曲线和人行走的力矩曲线进行对比,验证了外骨骼模型的正确性。  4.运用ADAMS对外骨骼进行仿真,得到各个关节的角度曲线和力矩曲线,与人体实际运动曲线进行对比,验证了外骨骼模型的正确性。搭建外骨骼实验平台,对足底进行压力实验、整体外骨骼进行穿戴实验;对外骨骼穿戴舒适性、行走性能进行实验研究。通过对传感器的反馈信号进行分析,可以判断出入的运动意图,达到助力、助行的目的。
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