【摘 要】
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助力外骨骼是目前机器人研究领域中具有研究价值与开发潜力的课题,随着机器人技术的发展与突破,在军事行动、重劳动工况、航天航空、抗震救灾、体育娱乐、医疗康复治疗等领域有着广泛的应用前景与开发价值。其中,可穿戴式的髋关节助力外骨骼作为中心枢纽是全身型外骨骼中重要的环节,具有连接上下肢并且传递运动与动力的重要地位。基于目前大多数采用串联式下肢助力外骨骼对髋关节进行1-2自由度运动助力的现状,借助并联机构高
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助力外骨骼是目前机器人研究领域中具有研究价值与开发潜力的课题,随着机器人技术的发展与突破,在军事行动、重劳动工况、航天航空、抗震救灾、体育娱乐、医疗康复治疗等领域有着广泛的应用前景与开发价值。其中,可穿戴式的髋关节助力外骨骼作为中心枢纽是全身型外骨骼中重要的环节,具有连接上下肢并且传递运动与动力的重要地位。基于目前大多数采用串联式下肢助力外骨骼对髋关节进行1-2自由度运动助力的现状,借助并联机构高刚度、抗干扰性强、系统惯性小、动态响应好的优点,采用3-UPS并联机构形式,以助力髋关节3自由度运动为目的,研究与设计髋关节助力外骨骼。本论文的主要研究内容如下:基于人体髋关节的生理结构特性,考虑穿戴舒适性、安全性以及助力的有效性,利用立体摄影技术检测人体髋关节中心位置,从人体工程学、仿生学角度出发,设计一款穿戴后与人体腿部构成3-UPS/S并联机构的助力外骨骼,使得在协同运动过程中,不仅机构的运动中心与人体生理髋关节旋转中心保持一致,而且能够满足助力髋关节屈曲/伸展、外展/内收、内旋/外旋的3自由度运动。在分析并联机构的运动学的雅可比矩阵时,基于螺旋理论的影响系数法,推导了一阶影响系数矩阵,获得逆雅可比矩阵。同时利用微分并联机构的几何约束方程,获得驱动关节速度与被动关节速度以及末端执行器速度关系,得到并联助力机构的正雅可比矩阵。最后利用MATLAB与ADAMS的联合仿真,验证了正运动学分析的正确性。借助并联助力机构的姿态反解模型,借助有限离散搜索法,在考虑分支连杆长度、连杆干涉以及各个运动副的运动范围等限制因素,对并联助力机构的位置工作空间与姿态工作空间进行了求解,同时探究了限制条件对工作空间的影响情况,确定了机构参数与实际工作空间。在助力工作空间内,借助可操作度分析了机构运动性能的好坏。基于拉格朗日法推导了髋关节助力机构的动力学方程,并且利用ADAMS软件对机构进行了动力学分析,通过3个独立髋关节运动的路径规划分析,验证了虚拟样机模型的正确性;结合实际助力工作空间,探究髋关节助力机构在最大助力位置时,根据不同负载工况,分析了各个运动副运动状态以及驱动关节所需的最大驱动力矩变化情况
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