变刚度下肢外骨骼机器人
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- 从 1960 年开始，外骨骼经过几十年的研究，取得很大的进展。外骨骼技术把机器人技术和医疗技术结合起来，已经应用于残障人士康复上。康复型外骨骼负载较小，所以一般采用电机驱动。但是，刚性电机驱动会限制人体的柔性，阻碍人机交互，产生冲击，导致穿戴不适甚至伤害。因此，本文设计一种结构紧凑、轻捷方便的可穿戴变刚度柔性下肢外骨骼。相对于刚性驱动，变刚度驱动（VSA-Variable Stiffness Actuator）具有缓冲、抗冲击、储能、更加顺应人体的优点，达到穿戴舒适、运动柔顺的目的。
本文根据国内外研究现状，根据人体运动规律，选择合适的电机和谐波减速器器，设计刚度可调的膝关节和串联弹性驱动（SEA-Serial Elastic Actuator）的髋关节， 设计被动踝关节。同时，选取合适的传感器、驱动器和编码器，确保下一步的控制， 考虑到重量和强度问题，本设计主要零件采用碳纤维板。最后，对关键零件进行强度校核，对整体样机进行质量评估，绘制零件图和装配图，外送加工。从 1960 年开始，外骨骼经过几十年的研究，取得很大的进展。外骨骼技术把机器人技术和医疗技术结合起来，已经应用于残障人士康复上。康复型外骨骼负载较小，所以一般采用电机驱动。但是，刚性电机驱动会限制人体的柔性，阻碍人机交互，产生冲击，导致穿戴不适甚至伤害。因此，本文设计一种结构紧凑、轻捷方便的可穿戴变刚度柔性下肢外骨骼。相对于刚性驱动，变刚度驱动（VSA-Variable Stiffness Actuator）具有缓冲、抗冲击、储能、更加顺应人体的优点，达到穿戴舒适、运动柔顺的目的。
本文根据国内外研究现状，根据人体运动规律，选择合适的电机和谐波减速器器，设计刚度可调的膝关节和串联弹性驱动（SEA-Serial Elastic Actuator）的髋关节， 设计被动踝关节。同时，选取合适的传感器、驱动器和编码器，确保下一步的控制， 考虑到重量和强度问题，本设计主要零件采用碳纤维板。最后，对关键零件进行强度校核，对整体样机进行质量评估，绘制零件图和装配图，外送加工。
关键词：下肢外骨骼；柔性关节；变刚度驱动器；串联弹性驱动
ABSTRACT
Since 1960, great progress has been made in the study of exoskeletons, which combine robotics with medical technology and have been used in patient rehabilitation. The convalescent exoskeleton has a small load, so it is generally driven by electric motors. However, rigid motor drive will limit the flexibility of the human body, hinder human- computer interaction, and generate impact, resulting in discomfort and even injury. Therefore, a compact, lightweight and convenient wearable flexible lower limb exoskeleton with variable stiffness is designed in this paper. Variable Stiffness, relative to the rigid driver drive (VSA - Variable Stiffness physical) with a buffer, impact resistant, energy storage, more to keep up with the advantages of the human body to wear comfortable, sport, silky purpose.
According to the research status at home and abroad, according to the laws of the human body movement, choose the appropriate harmonic reducer, motor and design Adjustable Stiffness (AwAS - Actuator with Adjustable Stiffness) of the knee joint, and rigidity regulation (SEA - Serial Elastic Actuator) of the hip, design of passive ankle. At the same time, the selection of appropriate sensors, drivers and encoders, to ensure the next step of control, considering the weight and strength issues, the design of the main parts using carbon fiber plate. Finally, the key parts of the strength check, the overall prototype quality assessment, drawing parts and assembly drawings.
Key words: Lower Extremity Exoskeleton; Flexible Joint; Variable Stiffness Actuator; Serial Elastic Actuator
目 录
摘 要 I
ABSTRACT II
第 1 章 绪论 1
1.1研究背景及意义 1
1.2国内外研究现状 2
1.2.1国外发展状况 2
1.2.2国内发展状况 4
1.2.3柔性驱动器的发展状况 5
1.3本论文的主要设计内容和工作 7
第 2 章 下肢外骨骼机器人总体方案 8
2.1人体运动机理简述 8
2.1.1人体基本面与轴 8
2.1.2人体下肢运动原理 9
2.1.3人体下肢运动规律 9
2.2设计准则 10
2.3总体方案 10
2.3.1整体方案 10
2.3.2整体尺寸和重量 11
2.4本章小结 13
第 3 章 下肢外骨骼结构设计 14
3.1柔顺驱动器以及硬件选择 14
3.2腰杆、背板和髋关节 16
3.2.1腰杆和背板 16
3.2.2髋关节 17
3.3大腿和膝关节 19
3.4小腿和踝关节 22
3.5脚板部分 23
3.6本章小结 23
第 4 章 关键零部件静力学分析 25
4.1螺纹连接强度校核 25
4.1.1背板和腰杆的连接 25
4.1.2腰杆和髋连接板的连接 26
4.2关键轴的校核 27
4.2.1髋关节转轴 27
4.2.2膝关节转轴 28
4.2.3踝关节转轴 29
4.3ANSYS 分析 30
4.3.1轴的 ANSYS 分析 30
4.3.2髋连接板的 ANSYS 的分析 32
4.3.3大腿的 ANSYS 分析 33
4.4本章小结 34
第 5 章 总结与展望 35
5.1 总结 35
5.2 展望 35
致 谢 39
第 1 章 绪论
1.1研究背景及意义
外骨骼 (Exoskeleton)的提出源于生物学中昆虫和有壳类动物的坚硬外壳, 有壳类生物利用外骨骼支撑身体，防卫天敌，增强自身的运动能力，外骨骼对于这类生物来说是不可或缺的 [1]。人们基于这一概念，结合机器人技术发展了可穿戴外骨骼机器人。外骨骼机器人的作用是巨大的，比如说医用康复外骨骼机器人可用于运动机能受损的病人的康复训练;助力外骨骼可用于帮助老人或者运动能力较弱的人群进行正常的工作；军用外骨骼可用于提高士兵的作战能力，这对于打造超级战士来说是一种可靠的方法。可见，助力外骨骼机器人、医疗康复机器人、军用外骨骼机器人等各种类型、功能的外骨骼机器人将在未来社会发挥重要作用[2]。
在我国，社会老龄化的问题越来越严重、残疾人比例逐年上升，下肢康复机器人成为社会关注的一个热点[3]。现在康复外骨骼一般为通过设置正常的步态，对病人进行步态模拟训练，让病人进行接近正常人的活动以刺激神经系统，从而帮助下肢运动障碍患者恢复和重建行走能力[4]。研究表明，下肢康复外骨骼可以有效地提高康复效果，节省康复医师工作负担[5]。
然而，对于如今的大部分外骨骼机器人来说，驱动关节一般都是刚性的。而仿生学研究表明，生物关节的刚度都是随着不同的运动需要进行改变的，比如说人在剧烈运动的时候，为了减少对骨骼或肌肉的损害，膝关节处的刚度会变得较小，以便对冲击进行缓冲；而在休闲运动比如说行走时候则需要较大的刚度，以便进行实时的反应，改变行走方向或速度等[6]。此外，刚性结构不具备缓冲的功能，在外部冲击下容易导致外骨骼损坏甚至对人体造成伤害。由此可知，变刚度的外骨骼才能更好的适合于穿戴和提供助力，才能更好地实现协调的人机交互，使人们有更好的体验。
因此，本文通过了解国内外变刚度驱动器的研究现状，学习比较变刚度结构， 优化运动关节结构、优化连接方式和连接件的尺寸形状使结构紧凑、选择合适的材 料减少整体重量；在采用柔性机构进行刚度控制的基础上，选择更加合适的驱动器、谐波减速器以及传动结构以达到性能要求；最后综合设计一款变刚度下肢外骨骼 机器人，优化细节连接，设计好内衬绑带，保证人机交互过程中的安全性、功能性、
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