下肢助力外骨骼机构设计与研究_(硕士论文)教案.doc

硕士学位论文 RESEARCH AND MECHANISM DESIGN OF LOWER LIMB POWER EXOSKELETONS （全日制工程型） 蒋靖 2012 年 7 月  国内图书分类号：TP242.6 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 硕 士 研 究 生 ： 蒋靖 师 ： 付宜利 教授 全日制工程硕士 科 ： 机械工程 机电工程学院 2012 年 7 月 哈尔滨工业大学  Classified Index: TP242.6 U.D.C: 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  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  - I -  哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 Abstract Research on exoskeleton has become hotspot of robotic technology at home and abroad. Exoskeleton robot can combine with the wisdom of human being and the strength of robot effectively, solving the problem on weight-bearing in the complex environments. With the weight improvement of individual combat equipment, Exoskeleton Robot that suits for the soldiers, has great potential applications, which is designed to improve the Weight capacity of soldiers in the various complex environment. The paper has a further study on