外骨骼机器人负重机理研究及动力学分析

外骨骼机器人负重机理研究及动力学分析周龙2013年6月中图分类号：UDC分类号：外骨骼机器人负重机理研究及动力学分析作者姓名周龙学院名称机电学院指导教师宋遒志教授答辩委员会主席范宁军教授申请学位工程硕士学科专业兵器工程学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2013年6月Load-bearingMechanismandDynamicsAnalysisofExoskeletonRobotCandidateName：LongZhouSchoolorDepartment:MechatronicalEngineeringFacultyMentor:Prof.QiuzhiSongChair,ThesisCommittee：Prof.NingjunFanDegreeApplied:MasterofEngineeringMajor：OrdnanceEngineeringDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence：June，2013外骨骼机器人负重机理研究及动力学分析北京理工大学研究成果声明本人郑重声明：所提交的学位论文是我本人在指导教师的指导下进行的研究工作获得的研究成果。尽我所知，文中除特别标注和致谢的地方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京理工大学或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。特此申明。签名：日期：关于学位论文使用权的说明本人完全了解北京理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括：①学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；②学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；③学校可允许学位论文被查阅或借阅；④学校可以学术交流为目的,复制赠送和交换学位论文；⑤学校可以公布学位论文的全部或部分内容（保密学位论文在解密后遵守此规定）。签名：日期：导师签名：日期：北京理工大学工程硕士学位论文I摘要外骨骼机器人是一种穿戴在人体身上，协助人体承受负载，随时为人体行走提供助力的装置。本文针对外骨骼的负重助力机理及动力学展开分析研究，以便于为今后外骨骼结构设计以及协同行走等提供基础。本文主要进行了如下研究。对人体下肢解剖学、下肢关节结构和运动以及步态进行研究分析，明确人体下肢关节运动副结构及其自由度情况。在此基础上，设计一款拟人结构、液压驱动的外骨骼机器人。基于外骨骼机器人下肢不同步态内的能量和动力学方程研究，对外骨骼机器人负重助力机理进行研究分析，得出外骨骼机器人实现负重助力所需满足的条件。建立外骨骼机器人不同支撑态模型的拉格朗日动力学方程，并利用matlab对动力学方程进行求解。基于外骨骼结构与人体的相似性，将计算得到的关节力矩与CGA（ClinicalGaitAnalysis）数据进行比对验证。最后，采用同时驱动外骨骼和人体的仿真方法，对外骨骼机器人协同行走、关节力矩、助力情况进行仿真分析。关键词：外骨骼；步态分析；负重机理；动力学；拉格朗日方程；Adams仿真分析北京理工大学工程硕士学位论文IIAbstractTheexoskeletonrobotisakindofrobotwhichisworninhumanbodytohelphumanbearloadandassisthumaninwalking.Inthispaper,theload-bearingmechanismandthedynamicsanalysisofexoskeletonrobotwereresearchedinordertothefuturedesignoftheexoskeletonrobotstructureandtheconditionsinwhichhumanandexoskeletoncanwalktogether.Thefollowingresearchesweredoneinthispaper.Inthispaper,thoughtheresearchofhumananatomy,thestudyofthemechanismofhumanlowerlimbjointmovementandtheanalysisofthehumangait,thelowerlimbjointsstructureanddegreesoffreedomweredrawnout.Thenananthropomorphicstructureandhydraulicdrivedexoskeletonrobotwasdesigned.Basedontheresearchofexoskeletonrobotenergyanddynamicsequationsindifferentgait,theexoskeletonrobotload-bearingmechanismwasresearchedandtheconditionsofexoskeletonrobottoachieveload-bearingfunctionweredrawnout.TheLagrange'sdynamicsequationsforthemodelsofdifferentsupportingstatesoftheexoskeletonrobotwerebuiltandthedynamicsequationsweresolvedbyMatlab.Basedonthestructuresimilarityofexoskeletonrobotandhumanbody,theresultsofdynamicalequationswerecomparedwithCGA（ClinicalGaitAnalysis）datas.Last,thesimulationsofthecollaborationwalkingofexoskeletonrobotandhuman，thejointtorqueofexoskeletonandassistanceeffectofexoskeletonrobotweredonethoughtheuseofdrivingexoskeletonandhumanatthesametime.KeyWords:exoskeleton;gaitanalysis;load-bearingmechanism;dynamics;Lagrange’sequation;Adamssimulationanalysis北京理工大学工程硕士学位论文III目录第1章绪论.................................................11.1本文研究背景、目的及意义.......................................11.1.1背景介绍................................................11.1.2本文的研究目的及意义....................................21.2国内外研究现状及发展趋势.......................................31.2.1国外研究现状............................................31.2.2国内研究现状...........................................111.3本文研究内容..................................................13第2章基于人体生物力学的外骨骼机器人设计..................142.1人体下肢解剖学概述............................................142.2下肢关节运动机理研究..........................................152.3人体步态分析..................................................182.4外骨骼机器人设计..............................................222.4.1外骨骼机器人结构设计...................................232.4.2外骨骼驱动方式及驱动关节确定...........................242.4.3外骨骼总体建模.........................................252.5本章小结......................................................26第3章外骨骼机器人负重机理研究............................273.1步态周期中外骨骼机器人负重状态分析............................273.2外骨骼机器人负重机理分析......................................293.2.1外骨骼机器人负重行走时能量分析.........................293.2.2外骨骼机器人动力学方程.................................313.2.3外骨骼机器人负重助力机理分析...........................343.3本章小结......................................................36北京理工大学工程硕士学位论文IV第4章外骨骼机器人动力学分析..............................374.1外骨骼机器人数学模型的建立....................................384.1.1D-H坐标系建立方法.....................................384.1.2外骨骼坐标系建立.......................................404.2外骨骼机器人动力学方程建立....................................434.2.1单脚支撑态动力学方程...................................454.2.2双脚支撑态动力学方程...................................484.3外骨骼机器人动力学分析........................................524.3.1外骨骼机器人机构与人体相似性分析.......................524.3.2拉格朗日方程求解.......................................524.3.3结果分析...............................................554.4本章小结......................................................57第5章外骨骼机器人Adams仿真分析..........................595.1仿真方法概述..................................................595.2人机协同情况仿真分析..........................................605.2.1仿真模型建立...........................................605.2.2驱动函数设计...........................................625.2.3模型运动仿真................