髖關(guān)節(jié)助力外骨骼的設(shè)計(jì)與研究.pdf

1、許多人需要在日常工作和生活中進(jìn)行長時(shí)間或遠(yuǎn)距離的行走運(yùn)動(dòng)，如護(hù)士、城市環(huán)衛(wèi)工人、遠(yuǎn)足愛好者以及士兵等，長時(shí)間、長距離的行走經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致身體不適以及肌肉疲勞等癥狀，影響他們的工作效率與生活質(zhì)量，長期性的肌肉疲勞更是引起肌肉組織損傷的最主要原因，而且肌肉組織損傷對人體運(yùn)動(dòng)機(jī)能的損害是無法挽回的。目前，我國對于治療肌肉組織損傷的臨床研究還比較少，雖然治療肌肉組織損傷的方法頗多，但治療效果均不理想。因此，為了對人體進(jìn)行更好的保護(hù)，提高他們的工作效

2、率及生活質(zhì)量，研究一種便于穿戴、能夠輔助人體下肢進(jìn)行正常行走運(yùn)動(dòng)的裝置十分必要。
　　運(yùn)動(dòng)輔助功能是外骨骼技術(shù)的重要應(yīng)用領(lǐng)域之一，外骨骼具有對人體運(yùn)動(dòng)過程快速跟隨的能力，在不改變?nèi)梭w運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的情況下給人體提供輔助力，具有環(huán)境適應(yīng)性好、助力充分的優(yōu)點(diǎn)，用外骨骼輔助人體行走將會(huì)極大的提升人體的運(yùn)動(dòng)機(jī)能。歐美及日本等發(fā)達(dá)國家一直在外骨骼機(jī)器人技術(shù)的研究領(lǐng)域有著巨大的投入，并取得了一系列成果。而我國對外骨骼技術(shù)的研究起步較晚，技術(shù)相對落后

3、，且多集中于康復(fù)用外骨骼領(lǐng)域。因此，本課題將開發(fā)一套結(jié)構(gòu)簡單、控制方便的髖關(guān)節(jié)助力外骨骼系統(tǒng)。
　　本文深入分析了外骨骼國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀，討論了各類外骨骼的特點(diǎn)。本設(shè)計(jì)根據(jù)實(shí)際需要選擇了合適的外骨骼自由度個(gè)數(shù)，并根據(jù)人體運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)設(shè)計(jì)了外骨骼半被動(dòng)式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。完成了髖關(guān)節(jié)助力外骨骼機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要包括外骨骼自由度個(gè)數(shù)的選擇與布置、外骨骼與人體連接部設(shè)計(jì)。依據(jù)對髖關(guān)節(jié)的人體運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的分析，外骨骼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)被設(shè)計(jì)為一半被動(dòng)式驅(qū)動(dòng)

4、機(jī)構(gòu)。在完成外骨骼機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，通過ADAMS對外骨骼的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)過程仿真，驗(yàn)證被動(dòng)式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效果。
　　根據(jù)所設(shè)計(jì)的半被動(dòng)式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種分階段控制的控制方法，在后支撐相、前擺動(dòng)相和過渡相采用SAC控制法，實(shí)現(xiàn)外骨骼對人體的跟隨，僅依靠被動(dòng)式驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)提供輔助力。在前支撐相和后擺動(dòng)相采用輸出力矩控制法，使外骨骼驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出合適的力矩，對人體提供輔助力矩。本設(shè)計(jì)選用TMS320F2812作為外骨骼控制系統(tǒng)的