便携式柔性外骨骼机器人
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- 便携式柔性外骨骼机器人毕业论文。
基于对外骨骼机器人现状的探讨和人体运动学的研究，确定外骨骼机器人的驱动方案，传动方案和结构设计方案。整体方案概括为腰部助力的绳驱柔性外骨骼机器人。设计要求：在安全性和功能性的前提下，着重完成便携式。
然后，根据设计方案和要求完成结构设计，主要包括主/被动自由度，限位机构、驱动设计等；接着完成轴类零件、轴承等重要零件的校核。
最后，运用D-H法完成外骨骼机器人的正/逆运动学求解，绘制出运动空间。
目 录
第1章 绪论 1
1.1 课题来源及研究意义 1
1.2 国内外研究现状 1
1.2.1 外骨骼机器人 1
1.2.2 驱动方式 6
1.3本文研究内容 8
第2章 外骨骼机器人总体方案 9
2.1 人体运动学分析 9
2.1.1 人体基本面和基本轴 9
2.1.2 上肢关节运动学分析 10
2.1.3 腰椎关节特征分析 13
2.2 外骨骼机器人设计方案 15
2.2.1 设计要求 15
2.2.2 柔性驱动方案 16
2.2.3 绳驱传动方案 17
2.2.4 本机构设计方案 18
2.3 本章小结 21
第3章 外骨骼机器人结构设计 22
3.1 主动自由度设计 22
3.1.1 肘关节 22
3.1.2 肩关节前屈/后伸 23
3.1.3 髋关节 23
3.2 被动自由度设计 24
3.2.1 肩关节 24
3.2.2 肩胛带 25
3.2.3 腰椎关节 26
3.2.4 腿部支撑处 27
3.3 关节限位、长度调节 27
3.3.1 关节限位 28
3.3.2 长度调节 29
3.4 柔性驱动设计实现 30
3.4.1 绳驱结构 30
3.4.2 串联弹性驱动器（SEA）结构 31
3.5 本章小结 32
第4章 外骨骼机器人结构校核 33
4.1 轴的连接件的载荷分布 33
4.1.1 人体各环节质量与质心位置 33
4.1.2 肘关节处 35
4.1.3 肩关节处 36
4.1.4 腰椎助力部分 37
4.2 轴的校核 39
4.2.1 轴承强度校核 39
4.2.2 轴承刚度校核 45
4.3 轴承寿命校核 47
4.4 关键零部件静力学校核 48
4.4.1 轴的静力学分析 48
4.4.3 非轴零件的静力学分析 50
4.5 本章小结 50
第5章 外骨骼机器人运动学分析 52
5.1 外骨骼机器人上肢部分正向运动学分析 52
5.1.1 D-H建模 52
5.1.2 正运动学求解 53
5.2 外骨骼机器人上肢部分逆向运动学求解 56
5.3 外骨骼机器人上肢部分的工作空间 59
5.4 本章小结 60
第6章 总结与展望 62
6.1 总结 62
6.2 展望 62
6.2.1 本设计展望 62
6.2.2 外骨骼机器人展望 63
参考文献 64
致 谢 67
第1章 绪论
1.1 课题来源及研究意义
本论文来源于国家“智能机器人”重点专项 2017年度项目“助力型外骨骼机器人”和“脑卒中康复机器人系统”。本文设计了一种便携式柔性绳驱上肢外骨骼机器人。
从基数上看，我国是人口大国而且目前处于老龄化阶段，病人数量将会大幅度上升；另一方面，我国作为制造大国，虽然越来越多的劳动由自动化机械代替，但是复杂精细的劳动依然需要人力来实现，如建筑业、汽车制造业等，大量的搬运工作会导致许多关节疾病的产生，如关节炎、骨刺、腰痛、悲痛等。因此医疗器械与我国民生密切相关，其产业的发展潜力巨大[1]。医疗器械在我国起步相对较晚，但是市场需求量巨大，因此国内众多高校、企业等已经纷纷投入医疗器械的研究当中，国家也启动各种有关医疗器械的项目。
如今，医疗技术迅猛发展，可以治疗大部分疾病，但是依然有很多疾病是无法通过纯医疗手段来达到完全治愈的目的，比如血栓疾病患者需要在血管内打入支架，而无法直接通过做手术来取出血液沉积物；骨折之后，通过手术治疗实现伤口愈合，但是病人无法恢复到伤前的状态。这些都是需要通过外界的手段即辅助物来达到治愈效果，像血管支架、外骨骼等。由此可见，医疗器械对病后治疗有着非常重要的作用。另一方面，疾病预防是降低生病率、提高人民生活水平的关键，特别是对于关节或骨骼疾病，通过医疗器械可以达到较好的预防效果。
现在的外骨骼机器人主要由刚性连杆搭建一个平行于人体骨骼的框架的方式，通过轴承连接来实现转动。采用这种方式可以精确并且传递足够的力给人体骨骼[2]，能够有效地帮助使用者搬运物品和术后康复。但是手臂施力运动往往需要由腰部协助，腰部也是承受载荷的关键部位。本文主要针对体力劳动者和术后康复者，采用腰部协助上肢助力，设计一款便携式外骨骼机器人。...
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