助力式下肢外骨骼机构设计与分析.pfg.pdf

天津科技大学学位论文原创性声明本人郑重声明:所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究工作所取得的成果。除文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果内容,也不包括为获得天津科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。对本文研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名:秒奄毒u~ 日期:加11,年弓月6日知识产权和专利权保护声明本人郑重声明:所呈交的论文是本人在导师具体指导下并得到相关研究经费支持下完成的,其数据和研究成果归属于导师和作者本人,知识产权单位属天津科技大学; 所涉及的创造性发明的专利权及使用权完全归天津科技大学所有。本人保证毕业后, 以本论文数据和资料发表论文或使用论文工作成果时署名第一单位仍然为天津科技大学。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名:檄砂一日期:沙协年弓月么日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,同意公布论文的全部或部分内容,允许论文被查阅和借阅。本人授权天津科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密口(请在方框内打“√”),在年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密囱(请在方框内打“√”)o 作者签名:寸≮)丢谤日期:矽协年乡月占日导师签名:丸修砟日期:纱f≯年乡月摘要本论文在研读了大量国内外文献的基础上,总结了下肢外骨骼的主要研究内容和所需解决的关键问题,在人机工程学,人体解剖学和运动学的基础上,分析了人体下肢模型、人体行走运动学特征,然后通过拉格朗日方程建立和求解了下肢动力学方程, 结合MATLAB和ADAMS进行动力学模型仿真计算,为下肢外骨骼的设计提供了基础。本文重点讨论了下肢外骨骼的机械结构设计原则,对外骨骼机械结构进行运动学分析,论述了外骨骼自由度选取、关节布位及总体设计方案。按照人机工程学理论, 对下肢外骨骼方案进行了详细的结构设计,并基于三维参数化软件CATIA建立了外骨骼三维模型,而且通过正常步态和负重步态实验获取了相关的运动参数。将参数经 MATLAB曲线拟合后,和人体实际运动情况进行比较,作为MATLAB和ADAMS仿真的输入信号,得出负重行走运动所需的力矩等参数,为驱动系统选型及运动控制打下基础。在完成上述研究的基础上,对下肢外骨骼进行了受力分析,首先分析外骨骼的工作状况及在不同工况下的负载,并依此为依据,对外骨骼的关键零部件进行了有限元分析和强度校核。通过分析,限制下肢外骨骼负重能力的主要因素是其驱动系统而不是外骨骼的结构强度。本文设计的下肢外骨骼结构合理,重量轻,具有较好的加工可行性,为外骨骼的产品化奠定了基础。同时本文设计的助行器系统是通过提取正常人体的运动信息来进行控制,是一种具有双足步行特征的典型人机一体化系统,也为类外骨骼的相关研究化奠定了基础。关键词:下肢外骨骼;结构设计;仿真分析;助力设备;有限元分析 ABSTRACT Thispaper pleted on thestudy ofthedomestic and foreign literatures,and has summarized thelower limbs exoskeletons research contents and thekey problems thatneed thebasisoftheanalysis ofthehuman engineering,human anatomy and kinematics,the human lower limbs model,and the human body lower limbs walk kinematic features,the dynamics equation oflower extremities have setupand solved through bined with MATLAB and dynamic simulation calculation model ADAMS,the foundation of the lower limbs exoskeletons design have been provided. The design principles ofthe lower limbs exoskeletons mechanical structure are discussed inthepaper'the kinematics analysis oftheexoskeleton