（优秀毕业全套设计）穿戴式机械腿机构的设计（整套下载）

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这种康复机器人能够帮助人体平衡，而且对躯干受伤的人，或者行走失去平衡的人有非常好的效果。它能够迅速准确地确定患者微小的动作，从而帮助患者达到预想的动作，这种康复设备不会主动地带人行走。图芝加哥公司平衡机器人康复机器人是由美到东北大学机电与机器人实验室研发的，如图所示。康复机器人在应用上也七过去更贴近普通人，现在这台膝关节康复机器人己经在美国波士顿医完投入使用，对于膝关节由于撞击受伤的患者尤其有效。图康复机器人国内研究现状国内在下肢机器人方面的研究起步较晚，所取得的成果也不多。目前的研究机构主要集中在上海大学浙江大学和哈尔滨工程大学等。具有代表性的是，哈尔滨工程大学开发的辅助型下肢康复训练机器人和浙江大学开发的可穿戴式的下肢步行外骨骼。自年开始，中科院合肥智能机械研究所开始从事这方面的相关研究工作。年，哈尔滨工程大学机电体化研究所研制了种下肢康复训练机器人样机如图所示。该机器人由三自由度步态机构姿态机构和重心平衡机构等组成。其优点是可实现脚的姿态调整，在机器人的远程控制技术虚拟现实技术及减重控制策略方面进行了实验或仿真研究，后续研制并开发了可与该机器人配合使用的四自由度绳索牵引骨盆运动并联康复机器人。图下肢康复训练机器人图助力机械腿年，上海大学机电工程与自动化学院也开始研究了套可穿戴式助力机械腿单侧下肢有两个自由度，分别为骸关节和膝关节的屈伸自由度，这两个自由度分别由电动缸驱动，单侧下肢机构如图所示。浙江大学流体传动与控制国家重点实验室也在这方面做了深入的研究，研究设计了套下肢康复医疗外骨骼，如图所示。这套系统具有骸关节和关节两个自由度，采用伺服电机驱动，并由独立的驱动器进行控制。并在此基础上开发了套专用于此系统的虚拟仪器控制界面软件。另外，专为系统制定开发的两套步态训练控制策略，即被动步态训练位置控制和半主动步态训练轨迹自校正控制，可以满足不同康复时期下肢步态康复训练的不同要求。图伺服电动驱动的下肢康复医疗外骨骼自年开始，中科院合肥智能机械研究所就开始从事这方面的相关研究工作，如图所示。机器人采用了类人结构，机构单侧共有五个自由度，分别是骸关节三个自由度，膝关节和踩关节各个自由度。图可穿戴型助力机器人尽管国内在穿戴型下肢康复训练机器人领域的研究起步相对较晚，但在机器人系统关键技术研究与试验样机研制方面己经取得比较多的成果。进步完善下肢康复机器人系统的性能，开展相关的康复训练实验研究是今后研究工作的重要内容。.下肢康复机器人研究存在的问题人机联接模式对人机相容性的影响。现有下肢康复机器人中，人机之间采用直接绑缚或通过穿戴具以紧致穿戴的形式相联接，缺乏有关人机联接模式和约束性质的深入研究，更未分析联接模式对人机运动相容性的影响。因此，需要进步研究人机之间的联接模式及其约束特性，在机器人机构的构型设计中分析联接模式的作用与影响，并以改善人机运动相容性为前提对机器人机构的构型进行综合与优选。机构构型对人机相容性的影响。现有的下肢康复机器人机构的骸关节多采用单自由度回转副或由个回转副进行运动等效，膝关节为单自由度回转副，机构的尺度参数根据下肢骨胳的比例和长度确定。优点是机器人机构的构型相对简洁且机构的设计简便易行。但机器人机构的关节数目少于下肢骨骼的关节数目，而且对应关节的运动属性也有所不同，构型的选取会直接影响人机之间的运动相容性。因此，在对人体下肢骨骼的生理结构关节运动特性以及康复机器人机构的外挂属性进行分析的基础上，结合人机系统的自由度分析提出较好的机构构型。机构参数优化对人机相容性的影响。由于下肢康复机器人机构与人体骨骼机构在关节数目关节运动特性上的差异以及机器人机构的外挂属性，若机器人机构参数或联接参数设计不够合理，也会导致人机运动不相容，在联接部位发生运动干涉与冲突。因此，在优选机构构型的基础上，需要进步研究基于运动相容性的机构参数及联接参数优化方法，定义运动相容性评价指标，构造基于运动相容性的机构参数优化模型并进行参数的优化设计。此外，机构设计中轻便美观和机构杆长的可调性也是研究的关键问题。.课题意义及主要研究内容穿戴式智能设备”是应用穿戴式技术对日常穿戴进行智能化设计开发出可以穿戴的设备的总称，如图机械腿，鞋等。机械腿的研究是步行机器人研究的核心内容。步行机器人是个交叉学科的研究，它涉及仿生学机械学控制学及信息处理技术等。步行机器人在多个行业具有很多应用优势，逐渐成为国内外机器人研究领域的个热点。步行机器人与其他履带式轮式机器人相比，具有以下的运动特性。步行机器人具有良好的地面自适应性步行机器人可以在复杂的地形上利用离散的点来选择最优的地面支撑点，并且可以跨越定的障碍物。步行机器人的腿部运动系统比较稳定步行机器人的腿部运动系统可以保证身体相对地面的稳定，因其腿部具有多个自由度，灵活性大，同时可以通过调节腿的伸展度来调整重心，因此不易翻倒，稳定性高。仿人机器人作为步行机器人的种形式，是提高机器人机动性和节省能源的条重要途径。仿人机器人是机器人研究领域最高研究成果的代表。相对于其他机器人，仿人机器人具有人的外形，并具备良好的人机交互能力，所以在娱乐服务等领域，仿人机器人具有更明显的优势。图机械腿第二章穿戴式机械腿机构运动分析.引言机械腿的结构设计必然是个挑战。机械腿自身特点穿戴性，决定了它需要更为合理的机构设计。机构设计的优劣直接影响穿戴的舒适性。机构的功能设计要反映下肢骨骼的运动特点。人体生物骨骼的关节结构运动形式和步行的运动特征都是外骨骼设计的基本依据。通过分析人体骨骼模型和关节运动建立人体简化模型。通过分析步行特征初步掌握关节运动协调规律。采用简化模型分析人体运动学特性。通过这些特征的研究，合理设计出穿戴舒适运动灵活可靠的外骨骼机构，使其与人体运动达到协调统。无论机构如何进行空间构型设计，都必须要穿着于人体的框架之上，并要求保持机构结构与人体形态的相互统，满足人体运动的空间需要。因而机构构型的空间设计首先必须满足人体骨骼的基本框架。因为人体结构的主架是骨骼，骨骼具有不可变性，所以机构在进行构型空间设计时，首先要考虑骨骼的形状和位置，这些是机构构型空间设计的不变因素。本章就以上问题进行了深入讨论。.人体下肢骨骼模型骨骼最基本机能是支撑和运动，而关节是骨与骨间的连接部分，决定着骨骼运动链的运动形式。人体下肢的骨骼运动链是以旋转为主的串并联混合结构。人体下肢骨骼运动包含了丰富的机构运动学问题。建立下肢随动外骨骼机构模型要以生物骨骼运动模型为基础。.骨骼的运动与下肢关节下肢骨骼与关节研究人体运动学，首先必须确立参考系。通常临床医学体育学及人体运动学研究使用三维坐标系统如图所示参考系包括三轴和三面矢状轴冠状轴额状轴垂直轴矢状面冠状面额状面和水平面横切面。在该参考系下，通常把关节的基本运动形式分为屈曲伸展内收外展回旋和环转等。图人体基本平面及轴线图人体下肢骨骼与关节如图所示，决定下肢运动状况的主要关节包括骸关节膝关节和踝关节，均属于活动关节。其次，脚部和踝部还包括些不动和少动关节，也具有定的调节功能。为简化起见，外骨骼的设计不考虑这些关节。骸关节是由个球形股骨头与凹形的骸臼组成的杆臼球窝式滑膜关节，是典型的三轴关节或称多轴关节，具有，即可在三个相互垂直的运动轴上做屈伸收展旋转等多方向的运动，是全身位置最深的关节，构造既坚固又灵活，将躯干的重量传达至下肢，具有重要的负重和活动功能。伸屈活动时，股骨头沿横轴在骸臼内旋转，但大腿内外旋转时，是以股骨头中心至股骨踝间凹连线作为其活动的轴心。因此，股骨头在骸臼内还有极为微小的滑行。骸关节的活动受到肌肉韧带限制，其运动范围如下前屈度到度后伸度到度内收度度外展度度外旋度到度内旋屈骸时为度到度。膝关节由股骨下端胫骨上端和骸骨构成，是人体最大最复杂的关节，属滑车球状关节，能做屈伸运动，屈可达度，伸不超过度。在屈膝状态下又可作屈位微小的旋内旋外运动。在正常步行中，由于屈膝幅度不会很大，屈位微小，在般的建模中，均忽略旋内旋外的微量运动以简化设计。由于膝关节受到内外交叉韧带和胫侧胖侧副韧带的限制，不能外展内收。因此，膝关节简化为单轴关节，具有，绕额状轴在矢状面上屈伸。膝关节的生理结构也是球状关节，严格上属于球副，只是由于膝关节韧带绷紧的原因，只能在矢状面运动，如图所示。严格的实验表明，膝关节运动是矢状面内的旋转与滑移的复合。但由于滑移量非常小，因此不予考虑。图膝关节结构踝关节由胫骨远侧端关节面，胖骨远侧端关节面和距骨滑车关节面构成，为屈戌关节，运动轴在横贯距骨体的横轴上。踩关节运动的方式是由距骨体滑车关节面的形状所决定的，活动范围较小，能做足背屈足庶屈和内翻外翻运动。在矢状面背屈度到度，蹈屈度度。蹈屈时还可有轻微的旋转内收外展与侧方运动。踝关节在矢状面的屈伸运动轴由内上向外下微倾，踝背伸时足外旋，蹈屈时，足内旋。旋转范围度度，踝关节运动保证了足底支撑力向腿部骨骼的传递，在行走上下楼梯登山及跳跃时均有重要作用。值得注意的是，上述这些关节发生在任何个平面内的运动都必然伴随着其他两个平面的运动，形成所谓的步行复合运动，这也是步行运动复杂性的体现，是仿生下肢设计的难点问题。步行运动序列个完整的行走循环周期即为个跨步，个跨步包括了两个步长。如图所示，步行的个跨步分为单相支撑期和双相支撑期两个阶段。单腿支撑相期间表现为条腿接触地面，另条腿处于摆动中，因此这时期又被称为条腿的摆动相。它从只脚离开地面开始到同只脚与地面发生碰撞结束。在人的步行运动中，单腿支撑相占跨步时间的。双腿支撑相是两条腿同时接触地面的时期，在人的步行运动中，这状态只占跨步周期的。由图可见，单相支撑期长而双相支撑期较短。就单下肢腿而言，又分为支撑相和摆动相，如上所述，在单相支撑期，有条腿占用部分跨步时间和地面接触，即为支撑相，该腿为支撑腿，可以支撑身体以及改变前进速度。同样，另条腿占用定的跨步时间向前摆动，作为摆动相，处于摆动相的腿成为摆动腿，这期间摆动腿离开地面向前摆动至下个支撑相。在个跨步中左右腿均分别占有个支撑相和个摆动相，但支撑相和摆动相的时间般不相同。因此两腿运动的相互关系常常是定义运动模式的个因素。例如，跑动中左右腿的运动就是完全不同步的，而跳跃中两腿的运动就完全是同步的。图单腿步行运动序列及状态划分从力学特性来看，当人在行走时，通过后脚对地面的作用而获得地面对人的推力，从而产生向前的加速度。当人的前脚着地的时候，地面对人的作用是阻碍其向前运动的，因此，会使人产生负的加速度，即人做减速运动。