下肢外骨骼机器人结构设计与运动稳定性研究

为帮助下肢瘫痪人群恢复行走功能,设计出一款下肢外骨骼机器人。依据人体运动机制对各个关节的自由度进行了设计,确定了主动关节和被动关节类型并选用合适的驱动方式,详细介绍了主要部位的结构设计。论述了机器人的工作机制以及工作方式。建立下肢外骨骼机器人的连杆模型,规划出关节运动轨迹并求解出各个关节旋转运动曲线。利用ADAMS仿真软件将所规划的步态曲线进行仿真分析,仿真结果表明:各个关节运动曲线柔顺平滑,无明显冲击。在一个周期内,与理论计算值相比,各个关节的角度仿真值误差均小于±1.5°,在合理误差范围之内。利用COG理论验证步态轨迹的动态稳定性,证明了所规划的步态曲线的合理性。     

下肢外骨骼机器人大腿板模态分析与拓扑优化

为提高下肢外骨骼机器人的性能,需对下肢外骨骼机器人部分零件进行结构优化。针对下肢外骨骼机器人大腿板,利用拓扑优化方法,将零件的模态数据作为优化依据。首先建立零件的三维模型,将其导入到Workbench软件中进行静力学分析和模态分析,得到大腿板在最大工作载荷处的最大应力和最大应变以及大腿板前4阶固有频率和最大振幅。然后进行开槽处理,将槽宽设为变量,求解出不同槽宽下的模态参数。最后根据固有频率和振幅参数,在满足减重需求和零件强度需求的情况下,选定槽宽的最优值。经开槽处理后大腿板质量减少明显,固有频率有所减小,抗振性能有所下降,但依然能够满足工况需求,且零件的静力学分析也能够满足要求,故验证了拓扑优化的可行性,对下肢外骨骼机器人结构优化具有参考价值。     

基于关键点约束的下肢外骨骼机器人步态规划

为提高下肢外骨骼机器人行走的稳定性和合理性,增加了足趾关节部位的自由度,并且考虑了辅助支撑工具拐杖在行走过程中的作用。步态规划过程中将步幅作为一个变量,确定几个关键点,利用MATLAB软件中的插值函数拟合出步态轨迹曲线,建立运动学模型并根据COG判据求解出重心的投影位置,计算出在一个步态周期过程中的最小稳定裕度。综合考虑步行速度和稳定裕度等因素选定最优的步幅。最后利用仿真软件ADAMS建立虚拟模型,将规划的步态轨迹函数作为驱动量输入模型进行仿真,测量出各个关节的旋转运动曲线,测量结果证明各关节曲线光滑柔顺,验证了步态规划函数的合理性,为后续控制系统设计奠定了基础。