穿戴式下肢负重外骨骼机器人机构设计(含CAD图,IGS,Creo,SolidWorks三维图)

穿戴式下肢负重外骨骼机器人机构设计(含CAD图,IGS,Creo,SolidWorks三维图)(外文翻译,论文说明书11000字,CAD图4张,Creo三维图,IGS三维图,SolidWorks三维图)
摘要：穿戴式负重外骨骼机器人是辅助下肢有运动障碍的患者进行站立及行走活动的康复型机器人。随着我国经济发展，对康复机器人的需求越来越多，而国内研究刚刚起步，许多技术还不够成熟，还需要不断的深入研究。本论文对下肢外骨骼机器人进行了国内外文献的查阅和需求分析，针对机器人的机械总体结构、外骨骼系统运动学仿真与动力学分析进行了设计。首先，由于外骨骼机器人需要适用于人体结构，因此外骨骼机器人的机械结构设计需要明确人体尺寸及下肢运动范围。根据人体下肢结构和运动特征确定机器人关节自由度，选择合适的驱动方式并设计成可调节式。其次，在机械结构设计的基础上，对外骨骼机器人进行运动学和运动特性分析。运用拉格朗日方程建立动力学模型，为机器人控制奠定基础。最后，本文采用Creo三维软件对外骨骼机器人进行运动仿真。

关键词：外骨骼机器人；可穿戴式；动力学
 
ABSTRACT
Wearable exoskeleton robots are rehabilitation robots that assist patients with movement disorders in the lower limbs to perform standing and walking activities. With the economic development of our country, more and more demand for rehabilitation robots, and domestic research has just started, many technologies are not mature enough, but also need continuous in-depth research. In this paper, the literature on the exoskeleton of the exoskeleton of the lower extremities was reviewed and the demand analysis was carried out. The overall mechanical structure of the robot and the kinematic simulation and dynamic analysis of the exoskeleton system were designed. First of all, because the exoskeleton robot needs to be suitable for the human body structure, the mechanical structure design of the exoskeleton robot needs to define the human body size and the range of motion of the lower extremities. According to the structure and motion characteristics of the lower limbs of the human body, the degree of freedom of the joints of the robot is determined, an appropriate driving mode is selected, and the adjustable mode is designed. Second, based on the design of the mechanical structure, the kinematics and kinematics of the exoskeletal robot are analyzed. Lagrange equations are used to establish dynamic models and lay the foundation for robot control. Finally, Creo three-dimensional software is used to simulate the exoskeleton robot.

Keywords: exoskeleton robot; wearable; dynamics
 
戴式下肢外骨骼机器人设计理论及方案
2.1人体下肢骨骼生物学结构
在研究人体运动学方面，首先要建立参考系，根据查阅的资料得知人体常用的三维坐标系如图2-1所示。人体解剖学中定义了三个相互正交的基本面，分别是：矢状面、额状面（冠状面）、水平面（横切面）[5]。矢状面是将人体自上而下纵切分为左右两部分的截面，额状面（冠状面）是将人体自上而下纵切为前后两部分的截面，水平面（横切面）是将人体横切分为上下两部分的截面。这是人体的三个基本面，人体全身自由度多，所以可以完成复杂多样的动作，如果要全部进行分析会非常困难，而本课题所研究的穿戴式下肢外骨骼机器人只需要分析人体下肢在矢状面内所完成的运动，这样会使整个过程变得简单，从而进行外骨骼机器人的结构设计和力学分析。
人体解剖学中不仅定义了三个平面，还有三个基准轴，分别是：额状轴、矢状轴和垂直轴。其中，额状面与矢状面相较的轴线称为垂直轴，额状面与水平面相交的轴线称为额庄轴（冠状轴），水平面与矢状面相交的轴线称为矢状轴。这就是人体解剖学中的三面三轴，利用这些可以帮助我们更方便的进行人体运动学分析。
 
一般人体下肢主要由骨、关节和骨骼肌三部分组成，而决定人体下肢运动状况的主要关节包括：髋关节、膝关节和踝关节。人体下肢主要完成的运动有前进、后退和转向，这些过程都是依靠下肢骨骼、骨骼肌和神经系统来控制的。参与这些运动的主要关节就是髋关节、膝关节和踝关节，这三个关节的结构将会作为设计外骨骼机器人的依据，外骨骼机器人需要完成人体下肢所能完成的运动，所以必须要与人体下肢基本结构相似，且具有相同的自由度。
髋关节位于腰部，连接着人体腰部和腿部。髋关节是由一个球形股骨头与髋臼组成，属于杵臼关节，其结构如图2-2。髋关节内脂肪较多，会随着关节内部压力的变化而被挤出或吸入，从而维持关节内部压力的平衡。髋关节是一个多轴性关节，可完成多方相的动作，髋关节可以实现屈伸、收敛和旋转等多方向的运动，是全身位置最深的关节，具有重要的负重和活动功能。
 
膝关节由股骨内、外侧踝和胫骨内、外侧踝及髌骨组成，是人体最大且结构最复杂的关节，属于滑车关节。膝关节是连接大小腿的关节，这一关节处的韧带较多，所以膝关节绕垂直轴的运动幅度小。伸直时，由于韧带拉紧，故不能作旋转运动。因此可认为膝关节只有一个自由度，只做屈伸运动。
 
踝关节由胫骨远侧端关节面、腓骨远侧端关节面和骨滑车关节面构成，如图2-4，踝关节的运动范围较小，可实现足部的伸屈和内外翻的运动。
 

目录
摘要    2
ABSTRACT    3
第一章 绪论    5
1.1 研究背景及意义    5
1.2 外骨骼机器人概述    5
1.3外骨骼机器人的国内外研究状况    5
1.3.1 国内发展状况    5
1.3.2 国外发展状况    7
1.4课题的研究内容    8
第二章  穿戴式下肢外骨骼机器人设计理论及方案    9
2.1人体下肢骨骼生物学结构    9
2.2人体正常步态分析    10
2.3外骨骼助力机器人运动参数确定    11
2.4外骨骼机器人的自由度分配    12
2.5外骨骼机器人的总体方案设计    12
2.6本章小结    13
第三章 外骨骼机器人结构设计    14
3.1外骨骼机器人结构组成    14
3.2髋关节的结构设计    14
3.3膝关节的结构设计    15
3.4踝关节的结构设计    16
3.5外骨骼机器人驱动方式选择    16
3.6本章小结    17
第四章 外骨骼机器人Creo仿真分析    18
4.1 Creo仿真软件概述    18
4.2运动仿真分析    18
4.3踝关节有限元分析    18
4.4 膝关节有限元分析    19
4.5本章小结    20
第五章 结论    21
参考文献    22
致谢    23
附录    24