针对上肢外骨骼康复机器人功能单一、拟人化程度低及对侧互换不便的问题,基于人体解剖学,呈模块化设计了一种10自由度外骨骼康复机器人;在6个主动自由度基础上,增加4个被动自由度,既可满足多关节组合训练,又可提升其柔顺性和普适性。介绍了10自由度外骨骼上肢康复机器人的结构与特点;通过D-H法,建立运动学方程,结合Robotics Toolbox验证了运动方程的正确性;在Adams中运用Step函数获得末端质心连续平稳的运动轨迹;最后,利用蒙特卡洛法将获得的工作空间云图与人体手臂末端运动范围进行对比,验证了其工作范围的合理性。研究表明,该外骨骼康复机器人结构设计方案与数学模型可行且正确。

基于被动行走原理,建立了被动两杆行走模型,推导了系统动力学方程并进行了数值求解。在此基础上,设计了4种能量转化模块及被动助力关节。结合人体工程学,设计了无动力外骨骼结构并进行了运动学仿真。利用理论研究成果,加工了原理样机,进行了相关测试及实验。

无动力外骨骼助力机器人具有无能耗、成本低、使用便捷等优势,可广泛应用于工业制造、医疗康复等多个领域。系统阐述了无动力外骨骼助力机器人的定义与分类,介绍了助力原理;绘制了国内外典型无动力外骨骼助力机器人机构运动简图并简述了相应的结构原理;最后根据调研结果归纳了现阶段存在的不足、需要突破的关键技术等。对于无动力外骨骼助力机器人的研究与应用具有一定的参考价值。

大部分机器人用于工业生产领域,其中一部分特殊用途的机器人发展出了更多的交互方式,在这种情况下,可穿戴机器人(WRS)应运而生。可穿戴机器人以操作者为导向。他们可以被定义为穿戴在操纵者身上,或者替代操纵者身体的一部分,增强他们原本的能力。机械外骨骼作为其中一种机器人,通过包裹在使用者身体侧面与使用者进行动作同步,增强使用者的活动能力。本项目将以设计一套以气动肌肉为执行元件的可携带上肢外骨骼系统,开展相关的研究。在分析了人体上臂结构,运动机理的基础上设计了含有三自由度的上肢外骨骼机械机构并进行了气动肌肉及气动系统、电子系统的设计及制作。在Autodesk Inventor中对其进行建模,仿真,硬件制作。之后使用压力传感器采样以及PID控制策略对各关节设计了满足外骨骼与使用者动作协调控制的控制系统。最后对外骨骼...

针对下肢外骨骼机器人在使用过程中,负重重心在矢状面垂直方向上的轨迹波动造成的能量消耗和冲击等问题,在常规双驱动单元外骨骼的髋部和背部设计了一种新型的连杆绳轮机构。该机构使外骨骼所承载的负重在人体重心在矢状面内做波浪形轨迹运动时与之做方向相反的运动,减小负重重心的轨迹波动,增加人体负重行走时的稳定性。在分析人体重心在行走状态下矢状面内的运动轨迹的基础上,确定了新机构的结构方案和尺寸。运用Denavit-Hartenberg方法和连杆设计理论求解出外骨骼在装备和未装备髋背机构时负重的重心轨迹,最后通过ADAMS的运动仿真进行验证,结果表明:这种髋背机构可明显降低负重重心的轨迹波动。

为了辅助工人安全轻便地完成搬运任务,针对传统外骨骼在工业领域应用不便的问题,设计了一款新型被动式搬运辅助外骨骼。借助Opensim人体建模软件建立了搬运过程的运动学模型,并对搬运过程进行了力学分析。参照设计要求完成了外骨骼总体设计和弹性蓄能模块设计。根据力学分析求出助力力矩,完成了蓄能模块凸轮、弹簧的参数选择,并对关键零部件进行了力学仿真。仿真结果表明,额定负载下机构能正常运行,不会发生损坏。使用外骨骼样机进行了模拟搬运对比实验,实验过程采集了肌电信号、耗氧量和Borg表数据。结果表明,该款外骨骼对腰部和胸背竖脊肌的助力效果为31.5%和18.7%,显著降低了受试者感知的劳累水平,不会引起耗氧量的显著差异。

随着社会老龄化,外骨骼技术逐渐应用于助老领域,针对存在下肢退化性关节炎老年人行走过程中需减轻自身重量对承重关节压迫的具体需求,分析了减重外骨骼构型特点,并在此基础上设计了一种基于2-UPS机构的减重外骨骼。外骨骼与人体通过骨盆及前脚掌连接构成单闭环,应用闭环矢量法建立外骨骼运动学模型。基于老年人常速行走过程中下肢关节角度变化关系,计算外骨骼主、被动运动副在一个步态周期的速度和加速度。应用拉格朗日法分别对行走过程中双腿支撑相和单腿支撑相进行动力学分析,并通过Adams仿真软件验证了动力学模型的正确性。

在分析人类负重外骨骼结构原理的基础上，针对其系统控制特点，设计了外骨骼结构液压驱动系统方案，并阐明其控制原理，建立了液压驱动系统数学模型。利用MATLAB/Simulink对其关节联动和行走性能进行仿真分析。搭建了实验平台，对其液压伺服控制和髋关节液压缸输出压力进行了实验研究。实验结果与仿真分析基本保持一致，其中髋关节液压缸阶跃响应时间约为480 ms，频率为1 Hz时其正弦跟踪误差最大为4°。实验证明：该液压驱动系统动作稳，响应快，可控性好。

根据已设计出的下肢外骨骼模型以及由公式推出的外骨骼运动特性,设计液压缸的负载轨迹情况;对液压控制系统进行静态特性和动态特性分析,确定出液压系统的参数;通过用Simulink仿真对P控制、PI控制、PID控制3种方法进行比较,最终确定利用PID控制方法驱动下肢外骨骼运动。

该文结合外骨骼液压系统特点,分析了系统污染物的来源,着重论述了提高系统耐污能力及控制系统污染物的措施,对提高外骨骼的工作可靠性和使用寿命,具有一定指导意义。