生物融合式助行外骨骼机构设计与研究

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随着人们生活水平的提高及医疗技术的发展,老年人口的数量越来越多,这给社会和家庭带来了一定的压力,所以对于如何提高老年人自主生活的能力显得非常重要。外骨骼技术作为一种新型的辅助人体运动的机器人技术,已广泛应用于助老助行等领域,以此来提高人体下肢运动的能力。本文在分析人体步态的基础上,研究辅助老年人行走的外骨骼,包括对其机械结构的设计、人机混合机构的运动学及动力学分析等。首先在对老年人下肢运动机理研究的基础上,对老年人的步态进行分析,通过对老年人行走视频进行分析,获得行走过程中人体下肢各关节的运动轨迹,通过曲线拟合得到下肢各关节的运动规律。在此基础上,提出助行外骨骼的设计要求并对下肢助行外骨骼的结构进行设计。在人体步态分析的基础上,建立人体行走的运动学模型,并采用D-H参数法对其运动学进行分析,得到各杆件的运动,利用牛顿-欧拉法对其动力学进行分析,得到人体行走时各个关节的驱动力,并结合数值实例对理论模型进行分析计算。随后建立人机混合机构的运动学模型,并对其反解进行分析,利用影响系数法得到各关节的速度加速度。最后在运动学分析的基础上,对人机混合机构的静力学进行分析,建立机构的静力平衡方程,利用影响系数法分析冗余驱动分支驱动力对RRR分支驱动力的影响,并对冗余驱动的驱动力进行优化,通过数值算例,将冗余驱动与非冗余驱动下RRR分支的驱动力及关节处的作用力进行比较分析。利用虚功原理建立该冗余机构的动力学模型,并对优化冗余驱动力后机构的动力学进行分析,得到优化后各个驱动关节的驱动力及关节处的作用力。利用ADAMS软件建立虚拟样机,对其运动学及动力学进行仿真分析。
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