仿生下肢外骨骼机器人结构设计及可靠性分析-机械电子工程专业论文.docx

I I 摘 要 摘 要 仿生下肢外骨骼机器人是目前穿戴式设备中的热门研究对象，它是一种能够 使人在负重的条件下长距离行走的人机一体化系统。它通过模拟人体下肢的骨骼 结构、关节转动和肌肉运动对人体提供额外的动力，可以给穿戴者下肢起到支撑、 保护和助力等作用。 下肢外骨骼机器人由于是人体穿戴式设备，装置的拟人化是下肢外骨骼设计 的主要问题。然而，下肢外骨骼在实际应用中由于机构的运动不确定性因素的存 在，从而影响人体穿戴的安全性和舒适性，因此装置的运动精度可靠性分析是设 计之后的可靠性分析问题。本文针对这两个问题，通过对人体下肢结构的分析、 对拟人化下肢外骨骼的建模和设计优化以及利用机构可靠性理论分析其运动精度 可靠性这三个方面进行阐述。本文的研究内容主要包括： （1）通过对人体下肢各体段的相关参数分析，利用 SolidWorks 建立人体 CAD 模型，并应用 ADAMS 动力学软件对其进行动力学仿真，得到人体下肢的关节力 矩，为下肢外骨骼的驱动器选型提供参考数据。同时，对人体下肢进行运动学分 析与建模，并验证数学模型的正确性，将对下肢外骨骼的运动精度可靠性分析提 供理论基础。 （2）通过对人体下肢的相关参数和下肢外骨骼机器人的工作原理进行分析， 形成初步的机构设计方法。为了减少下肢外骨骼的能源消耗，利用遗传算法，对 下肢外骨骼的简化模型进行尺寸优化，并基于优化后的数据建立下肢外骨骼的物 理模型，计算出液压缸行程数据，参考该数据及人体下肢关节力矩完成液压缸的 选型。 （3）通过参考机构运动精度可靠性理论，总结机构运动瞬时可靠性与时变可 靠性的理论分析方法，并将时变情况下的蒙特卡罗仿真理论应用到下肢外骨骼的 运动时变精度可靠性分析中，利用 Simulink 工具对其进行建模仿真，结合人体在 随机路面上的关节角度误差变化，计算其时变可靠度。 本文通过对下肢外骨骼结构分析、尺寸优化设计以及运动精度可靠性分析， 以期获取一套下肢外骨骼的常规设计方法以及不确定性条件下保证运动精度可靠 性的不确定性分析方法，为下肢外骨骼的工程实用化提供理论基础及技术支撑。 关键词：下肢外骨骼，结构设计，运动精度可靠性，Monte Carlo 仿真 II II ABSTRACT ABSTRACT As a popular research object of wearable devices currently, bionic lower extremity exoskeleton robot is a kind of man-machine integration system which can make person walking for long distance in the loading conditions. It provides additional power to the body through the simulation of human lower limb skeletal structure, joint rotation and muscle movement so as to give the lower extremity of the wearer to support, protection and assistance effect. The lower extremity exoskeleton anthropomorphic is the main problem of the device design because it is the human body wearable device, while the lower extremity exoskeleton in practical application due to the movement of the mechanism of uncertainties, which influence the wearers safety and comfort, so the reliability analysis of motion accuracy of the device is the problem of reliability analysis after the device design. This paper focuses on these two problems by the analysis of three aspects which are the analysis of the lower limb of the human body structure, the personification of the lo