下肢外骨骼并联关节研究

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1、上海交通大学博士后学位论文下肢外骨骼并联关节研究姓名：印松申请学位级别：博士后专业：核科学与技术指导教师：王德忠;殷跃红20091101摘要下肢外骨骼并联关节研究外骨骼机器人(ExoskeletonRobot)是一种可穿戴机器人，它可用来增强人的能力、实现瘫痪病人的康复训练以及辅助人进行各种操作等。近年来，各国科研人员对外骨骼机器人进行了广泛研究，以期能在增强人的能力和耐久力以及瘫痪病人的康复训练等方面得到应用。下肢外骨骼是外骨骼机器人的重要组成部分，它或替代人体下肢的功能，或辅助人体进行下肢的康复训练。为了正确模拟人体下肢的运动，下肢外骨骼必须具有髋关节、膝关节和踝关节三个部

2、分。本文以设计下肢外骨骼并联式关节为研究目的。通过对人体下肢各关节运动特点进行分析，指出现有下肢外骨骼的不足，并在此基础之上提出并联式外骨骼髋关节、膝关节和踝关节设计。本文第一部分对外骨骼髋关节进行结构设计。以人体解剖学为基础，结合人体关节的运动特点，提出采用空间三转动自由度并联机构作为外骨骼髋关节的实现机构。通过分析比较多种并联机构的优缺点，选定采用纯转动型3．UPU并联机构作为外骨骼髋关节机构。在运动分析和奇异性分析的基础之上，从实际应用的角度出发，以机构的工作空间、运动学性能为考察对象，进行髋关节机构结构参数的优化设计。所设计的外骨骼髋关节机构能够满足日常行走的需要，保证

3、工作空间内无奇异点出现，以提高设备的舒适性和安全性。上海交通大学博士后出站报告本文第二部分对外骨骼膝关节进行结构设计。根据人体膝关节平面运动的特点，提出采用平面并联机构作为外骨骼膝关节的实现机构。通过对两种平面并联机构进行分析比较发现，平面二自由度并联机构是一种较为理想的选择，并对其模拟膝关节的实施方案进行了说明。基于平面二自由度并联机构的外骨骼膝关节除了能代替人体肌肉群对膝关节进行牵引外，还能实现尺寸自动可调，因而能够在一定范围内满足具有不同关节尺寸的个体的需要。为了能够设计出满足人体需要的外骨骼膝关节，在对该机构进行运动学分析的基础上，以工作空间和运动学性能为目标进行机构结

4、构参数优化设计。本文第三部分对外骨骼踝关节进行结构设计。根据人体踝关节的运动特点，提出采用3．SPS／S型空间三自由度并联机构作为外骨骼踝关节的实现机构。该机构可以完全模拟脚踝所具有的三个转动自由度，因而仿生性更好。该设计方案的特点是将人体脚踝视为机构的一部份，为机构提供额外的三个转动约束。通过改变机构的结构参数，以该机构为基础的外骨骼踝关节能够适应不同尺寸的脚踩，因而具有一定的通用性。同时，以工作空间和运动学性能为目标的优化设计保证了机构的功能要求，提高了其使用的舒适性和安全性。关键词：外骨骼，并联机构，康复训练，髋关节，膝关节，踝关节ABSTRACTSTUDYoNTHEPA

5、RALLELJolNTSFoRTHELOWER．EXTREMITYEXoSKLEToNExoskeletonrobotiSakindofwearablerobotandiSusedtoenhancehuman’Sstrength，rehabilitatethedisabledandhelptheelderintheirdailylife．Inrecentyears，researchersaroundtheworldareengagedinthisfieldextensivelyforapplicationinenhancingenergyandenduranceandrehab

6、ilitatingthedisabled．Thelower-extremityexoskeletonisasignificantpartofexoskeletonrobot，anditcanreplacethepartialcapacityofthelowerextremityandhelpthedisabledtorecovertheirmobility．Inordertosimulatethemobilityofthelowerextremitycorrectly，theexoskeletonrobotmustbecomposedofthehip，thekneeandthe

7、ankle．Theaimofthispaperistodevelopparalleljointsforthelower-extremityexoskeleton．Byanalyzingthecharacteristicsofhumanjoints，defectsofexistinglower-extremityexoskeletonarepresentedandparallelhip，kneeandankleforthelower-extremityexoskeletonareputforw