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硕士学位论文


下肢助力外骨骼机构设计与研究


RESEARCH AND MECHANISM DESIGN
OF LOWER LIMB POWER EXOSKELETONS
(全日制工程型)


蒋靖









哈尔滨工业大学
2012 年 7 月
国内图书分类号: 学校代码:10213
国际图书分类号:621 密级: 公开






工程硕士学位论文


下肢助力外骨骼机构设计与研究











硕士研究生: 蒋靖
导师: 付宜利教授
申请学位: 全日制工程硕士
学科: 机械工程
所在单位: 机电工程学院
答辩日期: 2012 年 7 月
授予学位单位: 哈尔滨工业大学
Classified Index:
: 621






Dissertation for the Master Degree in Engineering


RESEARCH AND MECHANISM DESIGN
OF LOWER LIMB POWER EXOSKELETONS





Candidate: Jiang Jing
Supervisor: Prof. Fu Yili
Academic Degree Applied for: Master of Engineering
Speciality: Mechatronics Engineering
Affiliation: School of Mechatronics Engineering
Date of Defence: July, 2012
Degree-Conferring-Institution: Harbin Institute of Technology
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文
摘要
外骨骼研究已成为国内外机器人技术领域研究的热点。外骨骼机器人能
够有效结合人类的智慧和机器人的强壮,让复杂环境下的负重难题不复存
在。随着单兵作战装备重量的提高,一款适用于士兵穿戴,能有效提高士兵
负重能力,且适用于各种复杂环境的外骨骼机器人具有极大的应用前景。本
论文围绕下肢助力外骨骼的机械驱动系统设计、运动学和动力学分析、传感
系统设计及仿真和实验等关键问题进行了深入的研究。
在对人体下肢运动机理进行仔细分析的基础上,本论文对下肢助力外骨
骼的机械驱动系统进行了设计和研究。根据仿生设计的方法,对外骨骼的髋
关节、膝关节和踝关节等结构进行了设计,并对髋关节、大腿连杆、小腿连
杆等关键零部件进行了有限元力学分析;最后结合关节肌肉运动机理,对外
骨骼液压驱动系统方案进行了设计。
针对外骨骼机械结构,本论文对下肢助力外骨骼进行了运动学及动力学
分析。对外骨骼机械腿进行 D-H 建模,求解运动学正解,采用微分变换法
求雅克比矩阵。然后采用拉格朗日功能平衡法,对外骨骼进行动力学求解。
根据外骨骼整体结构和控制策略,本论文对下肢助力外骨骼的传感系统
进行了设计。通过分析人体足底压力分布信息,对压力传感器进行了选取和
布位,并设计传感鞋,保证采集压力的可靠性和传感器的安全性。选取了合
适的关节转动角度传感器,实现对外骨骼进行准确的控制。
最后,本论文对下肢助力外骨骼进行了仿真分析及实验研究。仿真分析
主要包括关节仿真和行走仿真;实验研究则包括穿戴舒适性试验、关节信息
采集实验、步态信息采集实验和外骨骼关节驱动实验等。仿真与实验结果表
明,下肢助力外骨骼机械结构设计合理可靠、穿戴舒适,能够满足外骨骼负
重和灵活性要求。

关键词:下肢助力;外骨骼机器人;结构设计;运动学与动力学

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哈尔滨工业大学工程硕士学位论文
Abstract
Research on exoskeleton has e hotspot of robotic technology at home
and abroad. Exoskeleton robot bine with the wisdom of human being and
the strength of robot effectively, solving the problem on weight-bearing in the
complex environments. With