仿蜘蛛機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真
仿蜘蛛機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真,蜘蛛,機(jī)器人,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),運(yùn)動(dòng)學(xué),仿真
摘 要
本文總結(jié)了國內(nèi)外仿生蜘蛛機(jī)器人的背景和目標(biāo),仿生蜘蛛機(jī)器人的研究成果和簡單介紹。介紹了蜘蛛的運(yùn)動(dòng)原理和設(shè)計(jì)的大概思路。通過研究蜘蛛機(jī)器人的六足仿生的運(yùn)動(dòng),這種設(shè)計(jì)已確定腳結(jié)構(gòu),使用3自由度的分析實(shí)現(xiàn)向前運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過計(jì)算和模擬確定了方案的可行性。通過計(jì)算選擇了電機(jī)的種類和型號(hào)。完成了各個(gè)零件型號(hào)以及種類的選擇。構(gòu)想的組件和裝配仿生蜘蛛機(jī)器人以及相關(guān)部件的檢查,確保機(jī)械設(shè)計(jì)的可行性，都包含在總設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞：仿生；機(jī)器人；機(jī)構(gòu)
ABSTRACT
Bionic spider robots at home and abroad are reviewed in this paper.the background and target, bionic spider research results and a brief introduction of the robot.Introduced the movement principle of spider and general idea of design.Through the study of the movement of the hexapod bionic robot spider, the design has been determined foot structure, use 3 degrees of freedom analysis to realize the forward movement, through the calculation and simulation to determine the feasibility of the scheme.By calculating the types and models of the motor.Completed the selection of models and various parts of the.Idea of components and assembly, inspection of bionic robot spider and related components to ensure the feasibility of the mechanical design, are included in the total design.
KEYWORDS：bionics ；hexapod robot ；machinery
目 錄
內(nèi)容摘要．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
I
Abstract．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
II
1 緒論．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
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1.1 論文的研究目的和意義．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
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1.2 研究背景．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
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1.3 國內(nèi)外研究成果．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
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1.3.1 國外研究成果．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
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1.3.2 國內(nèi)研究成果．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
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2 設(shè)計(jì)思路．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
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2.1 生物蜘蛛的生理結(jié)構(gòu)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
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2.2 仿生蜘蛛機(jī)器人的研究方法及思路．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
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3 整體設(shè)計(jì)方案．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
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3.1 工作原理分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
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3.1.1 三角步態(tài)原理分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
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3.1.2 機(jī)器人走動(dòng)步態(tài)分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
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3.2 機(jī)器人機(jī)構(gòu)總體設(shè)計(jì)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
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3.3 電機(jī)的選擇．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
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3.4 舵機(jī)驅(qū)動(dòng)原理．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
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4 零件的設(shè)計(jì)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
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4.1 軀干的設(shè)計(jì)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
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4.2 基節(jié)設(shè)計(jì)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
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4.3 關(guān)節(jié)蓋的設(shè)計(jì)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
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4.4 脛節(jié)片的設(shè)計(jì)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
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4.5 足的設(shè)計(jì)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
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4.6 連接桿的設(shè)計(jì)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
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4.7 固定片的設(shè)計(jì)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
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5 仿真圖文詳解．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
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5.1 Pro/E軟件簡介．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
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5.2 裝配體及運(yùn)動(dòng)步驟．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
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6 結(jié)論．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
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參考文獻(xiàn)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
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附錄：開題報(bào)告．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
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致謝．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
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1緒論
1.1論文的研究目的和意義
在我國仿生機(jī)器人可以幫助完成各種人類身體不能達(dá)到或是過于危險(xiǎn)的任務(wù)，例如深海采集資源和外太空探測，甚至是軍事行業(yè)的部分應(yīng)用。
隨著計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、機(jī)械電子、信息、自動(dòng)化等技術(shù)的飛速發(fā)展，仿生機(jī)器人的研究進(jìn)入了一個(gè)嶄新的階段。同時(shí)，太空資源，海洋資源，甚至部分陸地資源的開發(fā)和利用為仿生機(jī)器人提供了廣闊的發(fā)展空間。
仿生機(jī)器人的制造和開發(fā)已經(jīng)成為當(dāng)今社會(huì)不可阻擋的一股潮流，仿生機(jī)器人可以做到各種人類做不到的事，例如深海中人類很難出倉行動(dòng)，這時(shí)便可以利用機(jī)器人做到人類想做卻做不到的事。
隨著仿生機(jī)器人在工業(yè)軍事等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用以及不可替代性，機(jī)器人學(xué)已經(jīng)逐漸形成，并且獲得各行各業(yè)的人們關(guān)注和參與。機(jī)器人學(xué)是一個(gè)綜合性很強(qiáng)的學(xué)科，它涉及控制技術(shù)、傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、人工智能、傳動(dòng)技術(shù)、材料選用、力學(xué)等多種知識(shí)。
現(xiàn)在設(shè)計(jì)仿生移動(dòng)機(jī)器人，能夠?yàn)橐院筮M(jìn)入機(jī)器人設(shè)計(jì)行業(yè)大俠良好的基礎(chǔ)。
1.2研究背景
現(xiàn)代仿生機(jī)器人基本能按人的指令完成各種比較復(fù)雜的工作，如深海探測、作戰(zhàn)、偵察、搜集情報(bào)、搶險(xiǎn)、服務(wù)等工作，模擬完成人類不能或不愿完成的任務(wù)，不僅能自主完成工作,而且能與人共同協(xié)作完成任務(wù)或在人的指導(dǎo)下完成任務(wù)，在不同領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[1]。
在未來的軍事智能移動(dòng)機(jī)器人中，還會(huì)有智能戰(zhàn)斗機(jī)器人、智能偵察機(jī)器人、智能警戒機(jī)器人、智能工兵機(jī)器人、智能運(yùn)輸機(jī)器人等等，成為國防裝備中新的亮點(diǎn)[2]。
機(jī)器人設(shè)計(jì)有許多技術(shù)。這些關(guān)鍵技術(shù)主要有以下幾個(gè)方面：；路徑規(guī)劃技術(shù)，最優(yōu)路徑規(guī)劃就是依據(jù)某個(gè)或某些優(yōu)化準(zhǔn)則，在機(jī)器人工作空間中找到一條從起始狀態(tài)到目標(biāo)狀態(tài)、可以避開障礙物的最優(yōu)路徑；機(jī)器人視覺技術(shù)，機(jī)器人視覺系統(tǒng)的工作包括圖像的獲取、圖像的處理和分析、輸出和顯示,核心任務(wù)是特征提取、圖像分割和圖像辨識(shí)；智能控制技術(shù)，智能控制方法提高了機(jī)器人的速度及精度；人機(jī)接口技術(shù)，人機(jī)接口技術(shù)是研究如何使人方便自然地與計(jì)算機(jī)交流[3]。
1.3國內(nèi)外研究成果
歐洲各國在智能移動(dòng)機(jī)器人的研究和應(yīng)用方面在世界上處于公認(rèn)的領(lǐng)先地位[4]。中國起步較晚，而后進(jìn)入了大力發(fā)展的時(shí)期，以期以機(jī)器人為媒介物推動(dòng)整個(gè)制造業(yè)的改變，推動(dòng)整個(gè)高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的壯大[5]。
1.3.1國外研究成果
1990年，美國卡內(nèi)基-梅隆大學(xué)研制出用于外星探測的六足步行機(jī)器人AMBLER[6]。1993年，美國卡內(nèi)基-梅隆大學(xué)開發(fā)出有纜的八足步行機(jī)器人DANTE[7]。1996~2000年，美國羅克威爾公司在DARPA資助下，研制自主水下步行機(jī)ALUV[8]。
圖1 AMBLER 圖2DANTE-II
圖3ALUV步行機(jī)
1.3.2國內(nèi)研究成果
1991年，上海交通大學(xué)馬培蓀等研制出JTUWM系列四足步行機(jī)器人[9]。2000年，上海交通大學(xué)馬培蓀等對第一代形狀記憶合金SMA驅(qū)動(dòng)的微型六足機(jī)器人進(jìn)行改進(jìn)，開發(fā)出具有全方位運(yùn)動(dòng)能力的微型雙三足步行機(jī)器人MDTWR[10]。2002年，上海交通大學(xué)的顏國正、徐小云等進(jìn)行微型六足仿生機(jī)器人的研究[11]。
圖4微型雙三足步行機(jī)器人MDTWR 圖5微型六足仿生機(jī)器人
2設(shè)計(jì)思路
2.1生物蜘蛛的生理結(jié)構(gòu)分析
生物蜘蛛，如圖所示，是對節(jié)肢動(dòng)物門(Arthropoda)蛛形綱(Arachnida)蜘蛛目(Araneida或Araneae)所有種的通稱。
圖6 生物蜘蛛
仿生式蜘蛛機(jī)器人，顧名思義，我們借鑒自然界當(dāng)中昆蟲的運(yùn)動(dòng)原理。
腳是昆蟲的運(yùn)動(dòng)器官。昆蟲有3步行,在胸部,胸部和胸部都有一雙,我們反過來叫前面的腳,腳和背部的腳。每只腳髖,旋轉(zhuǎn),股骨,脛骨,瞼板和前大數(shù)。髖是一天的基礎(chǔ),比短。旋轉(zhuǎn)是沒有活動(dòng)通常與腿部分緊密相連。腿部分最長最厚部分。第四季度叫做脛骨,往往是又細(xì)又長,一排排的荊棘。第五節(jié)叫做大數(shù),一般由2 - 5節(jié)和部分:為了方便走路。小結(jié)束還有兩個(gè)堅(jiān)硬和鋒利的爪子,它可以用來把握對象。步行是一組三條腿,前后肢的一邊和另一邊的腳set.Thus托架結(jié)構(gòu),形成了一個(gè)三角形的三條腿在地上,往后推,另三條腿舉起來取代。前足后固定對象在它的爪子把昆蟲的身體向前,足以支持和提高身體的一邊,腳后促進(jìn)蟲體之前,同時(shí)使蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)。
這種運(yùn)動(dòng)方式使昆蟲可以在什么時(shí)候停止都可以，由因?yàn)橹行倪z址是不變的。還有一部分昆蟲不用全部的腿走路。他們的一些腿有了其他功能，產(chǎn)生了變化。行走就主要靠中和后足來完成。比如說刀螂。兩只前腿不會(huì)用來走路。而是自己的武器、依靠剩下的四條腿運(yùn)動(dòng)
參考上面的昆蟲腳結(jié)構(gòu),我想出了一個(gè)簡單的方式來表達(dá)。一只腳兩個(gè)關(guān)節(jié)的活動(dòng),聯(lián)合使用控制型轉(zhuǎn)變，另一個(gè)聯(lián)合使用偏擺,讓腳可以提高,作為一種上下。
2.2仿生蜘蛛機(jī)器人的研究方法及思路
決定這次研究的仿生蜘蛛機(jī)器人為六條腿的結(jié)構(gòu)，要想完成設(shè)計(jì)首先得完成機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。之后才可以進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。整機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)、自由度、驅(qū)動(dòng)方式，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，都會(huì)影響機(jī)器人的性能。而且，仿設(shè)計(jì)出來的機(jī)器人機(jī)構(gòu)不僅得滿足技術(shù)條件。而且得滿足經(jīng)濟(jì)條件。必須在滿足機(jī)器人的預(yù)期技術(shù)指標(biāo)的條件下，考慮用合理用材、便捷制造安裝、價(jià)格低廉和可靠性高等問題。
仿生蜘蛛機(jī)器人機(jī)制包括身體和腿兩部分、,首先得決定腿的數(shù)量。以及其他數(shù)據(jù)。現(xiàn)有計(jì)算多組機(jī)器人包括三、四、六尺、八尺以上,腳的數(shù)量大,重載和慢鏡頭,和青年的數(shù)量似乎更靈活的運(yùn)動(dòng)。數(shù)選擇的因素主要包括:穩(wěn)定、節(jié)能、冗余、聯(lián)合控制性能的要求,生產(chǎn)成本,質(zhì)量,復(fù)雜的傳感器和可能的步態(tài),等等,腿配置指的是腳的行走機(jī)器人相對于身體的位置和姿態(tài)的安排,確定分布形式,還需要考慮一些細(xì)節(jié),比如腿在主平面幾何配置和相對彎曲腿的方向桿,等等。此次設(shè)計(jì)腿的分布如圖1所示。
圖 7仿生蜘蛛機(jī)器人腿的分布示意圖
綜合足的數(shù)量等因素，此次設(shè)計(jì)的行走步態(tài)決定用三角步態(tài)，這也是六足機(jī)器人步行方式通常采用的。三角步態(tài)中，六足機(jī)器人身體的一側(cè)的前足和后足與另一側(cè)的中足共同組成一組。其他三條足組成另外一組。
38
3整體設(shè)計(jì)方案
3.1工作原理分析
六足步行機(jī)器人的步態(tài)是多樣的，其中三角步態(tài)是仿生蜘蛛機(jī)器人實(shí)現(xiàn)步行的典型步態(tài)。以下主要分析三角步態(tài)原理。
3.1.1三角步態(tài)原理分析
六條腿的昆蟲行走時(shí)，一般不是六足同時(shí)直線前進(jìn)，是把三對足分成兩組，以三角形支架結(jié)構(gòu)，互相交替前行。目前，大部分仿生蜘蛛機(jī)器人采用了仿昆蟲的結(jié)構(gòu)，六條腿分布在身體的兩側(cè)，身體左面的前、后足及右面的中足為一組，右面的前、后足和左面的中足為另一組，分別組成兩個(gè)三角形支架，靠大腿前后劃動(dòng)來實(shí)現(xiàn)支撐以及擺動(dòng)過程，這就是最典型的三角步態(tài)行走方式。但是因?yàn)樯眢w重心比較低，容易穩(wěn)定，所以這種行走方案可以得到廣泛運(yùn)用
3.1.2機(jī)器人走動(dòng)步態(tài)分析
項(xiàng)目設(shè)計(jì)總共用18個(gè)舵機(jī)實(shí)現(xiàn)步態(tài)。每條腿三個(gè)舵機(jī)，分別控制跟關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)以及踝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，兩個(gè)舵機(jī)安裝呈正交，構(gòu)成垂直以及水平方向的自由度。因?yàn)橥染哂兴胶痛怪逼矫娴倪\(yùn)動(dòng)自由度，所以需要考慮利用三角步態(tài)來實(shí)現(xiàn)直線行走。分別給18個(gè)舵機(jī)編號(hào)（1-18），如下圖所示。
3.2機(jī)器人機(jī)構(gòu)總體設(shè)計(jì)
六條腿的機(jī)器人六條腿走路運(yùn)動(dòng)過程中分為兩組,昆蟲的身體一側(cè)的前足和后腿在另一邊的腳作為一組,剩下的三條腿和一群。在運(yùn)動(dòng)的過程中,會(huì)有一組腿,一組腳,三個(gè)降落腿不僅使昆蟲的身體穩(wěn)定,擺動(dòng)和驅(qū)動(dòng)力,昆蟲身體能完成直線或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。本設(shè)計(jì)使用三角步態(tài)六英尺六條腿的機(jī)器人分為兩組,1、3、5條腿作為一個(gè)群體,2,4,6為另一組腿。六條腿的機(jī)器人通過控制兩腿交替提高擺動(dòng),實(shí)現(xiàn)步行運(yùn)動(dòng)。從身體的角度提升每條腿是開鏈結(jié)構(gòu),等效串聯(lián)的手臂,同時(shí)在三條腿或六條腿和身體成分較為封閉鏈自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)。步行機(jī)器人行走在正常情況下,胎停止支持腿與地面接觸有摩擦,可以簡化為點(diǎn)接觸,相當(dāng)于3自由度球面副的機(jī)制,加上與關(guān)節(jié),膝蓋和腳踝(對于單自由度,每個(gè)關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)),每條腿有6對單自由度運(yùn)動(dòng)。假設(shè)任何時(shí)候步行機(jī)器人的腿支撐階段數(shù)n,然后用n模型空間多環(huán)并聯(lián)機(jī)構(gòu)分支機(jī)構(gòu),它的自由度可以計(jì)算下一個(gè)類型:
（1）
式中：p----運(yùn)動(dòng)副數(shù)，p=4n；
----第i個(gè)運(yùn)動(dòng)副具有的自由度數(shù)，=1（i=1~3n）,=3(i=3n+1~4n)，
L----獨(dú)立封閉環(huán)數(shù)，L=n-1；
----第i個(gè)獨(dú)立封閉環(huán)所具有的封閉約束條件數(shù)，=6；
----消極自由度數(shù)，=0；
和----分別為局部自由度數(shù)和重復(fù)約束數(shù)，。
將以上參數(shù)代入式（1），可得：
F=3n+3n-(n-1)6=6
由此可得到，不管步行機(jī)器人的幾條腿處于支撐相，不論是三足支撐還是六足支撐，整個(gè)機(jī)構(gòu)都是具有六個(gè)自由度的空間多環(huán)的并聯(lián)機(jī)構(gòu)，只是有時(shí)為三分支并聯(lián)機(jī)構(gòu)，有時(shí)為六分支并聯(lián)機(jī)構(gòu)。六足步行機(jī)是這樣行走，從機(jī)構(gòu)學(xué)角度看就是三分支并聯(lián)機(jī)構(gòu)，六分支并聯(lián)機(jī)構(gòu)和串聯(lián)開鏈機(jī)構(gòu)兩者之間不斷變的復(fù)合型機(jī)構(gòu)。同時(shí)，上面的式子也說明，不管該步行機(jī)器人的步態(tài)和地面狀況怎樣，軀干在一定范圍內(nèi)都可靈活的到達(dá)任意位置，而且呈現(xiàn)要求的姿態(tài)。
仿生蜘蛛機(jī)器人腿分布示意圖如圖3所示。
圖8仿生蜘蛛機(jī)器人腿分布示意圖
仿生機(jī)器人蜘蛛六腿機(jī)身的盤上均勻分布,根據(jù)設(shè)計(jì)要求:一條腿有三個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng),因此每條腿組裝三個(gè)電機(jī)實(shí)現(xiàn)三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。電機(jī)裝配位置腿和關(guān)節(jié),膝蓋和腳踝。機(jī)身連接到主板的基礎(chǔ)部分,關(guān)節(jié),膝蓋和腳踝,每個(gè)都有相應(yīng)的自由度,以確保正常的運(yùn)動(dòng)。脛骨關(guān)節(jié)連接,以保證良好的能動(dòng)性,六條腿的機(jī)器人腳后通常使用昆蟲腳設(shè)計(jì)的一部分,好的,優(yōu)越的實(shí)用性和良好的靈活性。腿交替來支持身體的質(zhì)量在行走的過程中,和推動(dòng)身體向前移動(dòng)在負(fù)重條件,因此必須適應(yīng)整個(gè)剛度和承載力的質(zhì)量。項(xiàng)目設(shè)計(jì)的仿生機(jī)器人蜘蛛,三個(gè)自由度的腿在一個(gè)類似的機(jī)構(gòu),包括膝蓋和腳踝是由電機(jī)驅(qū)動(dòng)和錐齒輪,為了使用簡單的機(jī)構(gòu)來獲得更大的工作空間和靈活性。電機(jī)通過控制相應(yīng)的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)使機(jī)器人具有多個(gè)自由度,可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人走在任何時(shí)候自由的領(lǐng)域。在結(jié)構(gòu)上,以確保它可以更有效地模擬昆蟲走路的方式來完成相對復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在機(jī)器人仿生蜘蛛等效生物肌肉的作用,改變它,把腿關(guān)節(jié)機(jī)器人的姿態(tài)。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)必須擁有足夠的功率對關(guān)節(jié)進(jìn)行加、減速并帶動(dòng)負(fù)載，而且自身必須輕便、經(jīng)濟(jì)、精準(zhǔn)、靈敏、可靠且便于維護(hù)六足機(jī)器人的腿生物結(jié)構(gòu)示意圖4所示。
圖9仿生蜘蛛機(jī)器人腿的生物結(jié)構(gòu)示意圖
圖10舵機(jī)安裝示意圖
（1）行走步態(tài)分析
由13，14，15，1，2，3，7，8，9，號(hào)舵機(jī)所控制的E,C,,A腿所處的狀態(tài)一直保持一致；同樣，4、5、6、10、11、12、16、17、18號(hào)所控制的B、D、F腿的狀態(tài)也保持一致。當(dāng)一個(gè)三角形內(nèi)的三條腿支撐時(shí)，另三條腿正在擺動(dòng)。支撐的三條腿使身體前進(jìn)，擺動(dòng)的腿對身體沒有力以及位移作用，只使小腿向前運(yùn)動(dòng)，做好接下來支撐的準(zhǔn)備。步態(tài)函數(shù)，的占空系數(shù)為0.5，支撐相還有擺動(dòng)相經(jīng)過調(diào)整，滿足平坦地形時(shí)行走步態(tài)要求以及穩(wěn)定裕量要求[7]。
（2）轉(zhuǎn)彎步態(tài)分析
項(xiàng)目設(shè)計(jì)的機(jī)器人使用原位將與一只腳為中心轉(zhuǎn)動(dòng),右旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)過程如下：首先E,C,A,號(hào)腿先抬起，然后C,A號(hào)腿向前擺動(dòng)，E腿保持不動(dòng)。此時(shí)B、D、F腿支撐。然后A、C、E腿落地支撐，同時(shí)B、D、F腿抬起保持不動(dòng)。最后A、C腿向后擺動(dòng)。整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中B、D、E、F不做前后運(yùn)動(dòng)，只是上下運(yùn)動(dòng)。
3.3電機(jī)的選擇
選擇電機(jī)時(shí)需要考慮機(jī)器人地質(zhì)量以及最大扭矩。必須要有機(jī)器人的腿的質(zhì)量以及尺寸，通過查閱然后預(yù)算可以得出：上腿（股節(jié)）有效長度是 34mm，中腿（脛節(jié)）的有效長度是34mm,下腿（足）的有效長度是 90mm。上腿質(zhì)量為 190 克，中腿為140克，下腿為 150 克。然后對腿部做受力分析，做出受力簡圖5如下
圖11 仿生蜘蛛機(jī)器人腿的受力簡圖
仿生蜘蛛機(jī)器人以地面做 xoy平面，仿生蜘蛛機(jī)器人地重心在 xoy平面上的投影為坐標(biāo)原點(diǎn)O，z軸和機(jī)身垂直。
仿生蜘蛛機(jī)器人每條腿都會(huì)有3個(gè)自由度，每條腿都是由上腿和中腿以及下腿通過舵機(jī)連接形成。在本次設(shè)計(jì)中，上腿的長度是34mm，中腿地長度是34mm，下腿地長度為90mm。機(jī)體和上腿由A號(hào)舵機(jī)連接，上腿和中腿是B號(hào)舵機(jī)連接，中腿和下腿用C舵機(jī)連接。腿著地的時(shí)候，上腿和中腿間的夾角為135°，中腿與下腿間的夾角為135°，抬腿的時(shí)候，B舵機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)30°。在仿生蜘蛛機(jī)器人行走的過程中，要避免腿與腿會(huì)碰到，所以腿擺動(dòng)的時(shí)候需要選擇合適的角度，在本設(shè)計(jì)中運(yùn)動(dòng)控制的時(shí)候選擇的擺動(dòng)角度為30°。
針對仿生蜘蛛機(jī)器人支撐腿的受力狀況，其虛位移平衡方程的分析如下：
首先用表示質(zhì)點(diǎn)系的廣義坐標(biāo)，即有
（2）
，，，，，，，，，則仿生仿生蜘蛛機(jī)器人步行足的廣義平衡方程為：
（3）
（4）
其中 M2、M3為膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)所需扭矩，l2、l3、 m2、 m3為脛節(jié)、足的長度和質(zhì)量。
假設(shè)仿生蜘蛛機(jī)器人要按“三角步態(tài)”來行走，支撐相的三足均勻承受負(fù)荷，可以得到足的反力為：
（5）
仿生蜘蛛機(jī)器人在實(shí)際運(yùn)動(dòng)中，存在 的情況。據(jù)此，可推算出各關(guān)節(jié)所需的扭矩為：
（6）
（7）
當(dāng)q2=90°，q2-q3=30°時(shí)，由公式得，關(guān)節(jié)需輸出扭矩最大值為：
（8）
（9）
計(jì)算得出，電機(jī)的最大輸出扭矩要大于1.58 Nm。
根據(jù)得到的數(shù)據(jù)；來選用的伺服馬達(dá)是TowPro的，型號(hào)是 SG303。主要技術(shù)參數(shù)如下：
轉(zhuǎn)速：0.23秒／30度。
力矩：1.8Nm。
尺寸：40.4mm×19.8mm×36mm。
重量：37.2g。
5V電源供電。
舵機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖6所示
圖12 舵機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖
通過整體的設(shè)計(jì)確定了仿生蜘蛛機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu)，通過電機(jī)的選擇而確定仿生蜘蛛機(jī)器人的質(zhì)量以及腿部的尺寸，為后面的零件設(shè)計(jì)做了充分準(zhǔn)備。
3.4舵機(jī)驅(qū)動(dòng)原理
仿生蜘蛛機(jī)器人采用電動(dòng)驅(qū)動(dòng)的方式進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)器采用微型直流角位移伺服電動(dòng)機(jī)（舵機(jī)）
3.4.1舵機(jī)原理
舵機(jī)是一種擁有的簡單的結(jié)構(gòu)的、集成化的直流的的伺服系統(tǒng)，它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)由直流電的機(jī)和減速齒輪和電位計(jì)和的制電路組成?？刂菩诺奶?hào)線提的的供一定脈寬地脈沖時(shí)，輸出軸保持在相應(yīng)的角度。如果舵機(jī)初始角度狀態(tài)在0°位置，那電機(jī)只能朝著一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)。舵機(jī)所采用地驅(qū)動(dòng)信號(hào)為脈沖比例調(diào)制信號(hào)（PWM），就是在的通常為20ms的周的期之內(nèi)，輸入（0.5-2.5ms）變化的脈沖寬度，所對應(yīng)的轉(zhuǎn)角范圍由0°變化到18的0°，脈沖寬度和轉(zhuǎn)角為線性關(guān)系。所以在初始化時(shí)，應(yīng)該把的所有電機(jī)的位置定在90°位置。機(jī)器人和關(guān)節(jié)連接的的舵機(jī)的轉(zhuǎn)軸是水平轉(zhuǎn)動(dòng)，控制腿部的前進(jìn)和后退。
4零件的設(shè)計(jì)
4.1軀干的設(shè)計(jì)
為了便于加工以及控制器等設(shè)備的安裝，多足步行機(jī)器人的機(jī)體常采用箱型剛體結(jié)構(gòu)。
對機(jī)體為長方形和菱形的兩種步行機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析(如圖）后發(fā)現(xiàn)，近似菱形的機(jī)器人結(jié)構(gòu)本體具有以下三方面明顯優(yōu)勢:一、可以減少各個(gè)腿部之間的相互干涉碰撞;二、提高了機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性;三、增大了機(jī)器人腿部的轉(zhuǎn)動(dòng)空間。綜合以上優(yōu)點(diǎn)，仿蜘蛛機(jī)器人采用近似橢圓形的框架結(jié)構(gòu)，為了降低機(jī)器人質(zhì)量，使用高強(qiáng)度的鋁合金材料。軀體上預(yù)留設(shè)備安裝孔，便于安裝控制器、傳感器、電池等及走線。同時(shí)，兼顧六條腿的根部與機(jī)體相連整體布局與安裝定位。
在本設(shè)計(jì)過程中，我選用長方形軀干本體。
4.2基節(jié)設(shè)計(jì)
基節(jié)是機(jī)器人的腿的安裝位置,應(yīng)考慮舵機(jī)的安裝。這兩個(gè)表的部分是用來構(gòu)成一個(gè)基本部分。節(jié)片分為上層節(jié)片和基地。圖10為上基節(jié)片
圖13 基節(jié)片
做髖生長板的安裝位置腿向前伸,使腿部空間增加,可以避免兩條腿受傷,它的長度是65毫米,前面是25毫米寬度后端基礎(chǔ)32 mm.Consists兩個(gè)街區(qū),基地節(jié)片上中心鉆一個(gè)直徑4毫米的洞,留給轉(zhuǎn)向齒輪軸。在圓的中心為中心的圓半徑7.5毫米統(tǒng)一四內(nèi)螺紋孔直徑是3毫米。通過與固定在轉(zhuǎn)動(dòng)軸上的圓片連接，當(dāng)舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，舵機(jī)的機(jī)身就會(huì)帶動(dòng)與它緊固的部分轉(zhuǎn)動(dòng)。這個(gè)位置可稱為仿生蜘蛛機(jī)器人的跟關(guān)節(jié)。
下基本節(jié)片舵機(jī)與聯(lián)合平臺(tái),放置在前面的中心半圓的半徑10毫米晶片,晶片的中心舵機(jī)與聯(lián)合洞洞的相同位置的電影由一個(gè)圓柱銷的位置。圖11為下基節(jié)片
圖14 下基節(jié)片
下基節(jié)片和上基節(jié)片在其結(jié)構(gòu)上只有一個(gè)直徑是4mm的通孔的區(qū)別，其基本尺與上基節(jié)片一樣，厚度都為 3mm。
4.3關(guān)節(jié)蓋的設(shè)計(jì)
聯(lián)合覆蓋函數(shù)是用來連接關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)。剪輯與關(guān)節(jié)舵機(jī)在后面,前面的膝關(guān)節(jié)操舵裝置,由于對兩個(gè)舵機(jī)負(fù)載這部分,考慮到穩(wěn)定性,所以長度不能太長。（圖12即關(guān)節(jié)蓋）
圖15 關(guān)節(jié)蓋
前端處理長42毫米寬21毫米方孔,方孔用于修復(fù)膝關(guān)節(jié)操舵裝置由聯(lián)合封面圖還需要兩個(gè),后面操舵裝置的聯(lián)合,通過兩個(gè)螺絲。多在洞前略大于操舵裝置的大小與位置和大小,舵機(jī)方孔,之前和之后的每一個(gè),兩個(gè)聯(lián)合覆蓋20毫米。操舵裝置本身的固定部分。所以成四個(gè)M4螺釘,通過兩個(gè)洞,和關(guān)節(jié)封面是固定的。
聯(lián)合覆蓋的基本尺寸85毫米長,60毫米,厚度3毫米寬。后面是40毫米寬。綜合兩個(gè)舵機(jī)安裝位置,膝關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)向齒輪軸和聯(lián)合轉(zhuǎn)向齒輪軸的距離是30 mm.The 30 mm的線段的長度,因?yàn)橥鹊拈L度30 mm的結(jié)束似乎太短?？紤]到短段可以避免兩條腿之間的碰撞,使每條腿可以鍛煉在一個(gè)安全的區(qū)域。便于操控與行走，確保了機(jī)構(gòu)的可行性。
4.4脛節(jié)片的設(shè)計(jì)
脛骨連接部分的膝蓋和腳踝的腿。Shin節(jié)片直接與兩個(gè)舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)軸。從頂部的腿,上部的柄節(jié)片和連接到膝關(guān)節(jié)的操舵裝置,當(dāng)膝關(guān)節(jié)操舵裝置,驅(qū)動(dòng)脛骨運(yùn)動(dòng)。在脛骨底部連接到腳踝和腳,可以促進(jìn)腳,腳。從下往上,當(dāng)腳腳踝舵機(jī)旋轉(zhuǎn),地面接觸由于腳與地面接觸部分相當(dāng)?shù)哪_是固定的,踝關(guān)節(jié)脛骨上轉(zhuǎn)向扭矩傳遞節(jié)片上升。傳遞上去的扭矩使仿生蜘蛛機(jī)器人的軀體運(yùn)動(dòng)。
在脛節(jié)兩個(gè)脛節(jié)片當(dāng)中有一片需和兩個(gè)關(guān)節(jié)的舵機(jī)相連。所以有了傳動(dòng)脛節(jié)片的設(shè)計(jì)。傳動(dòng)的脛節(jié)片地結(jié)構(gòu)圖如圖13所示
圖16 傳動(dòng)脛節(jié)片
傳動(dòng)脛節(jié)片的尺寸為長 75mm、寬 22mm、厚 3mm。在兩端的半圓的圓心位置加工直徑為 4mm的通孔用于與舵機(jī)相連接。在中間中心線兩邊分布有兩個(gè)直徑 2.2的通孔，加裝兩個(gè)連接桿用于兩塊脛節(jié)片的連接。連接桿的長度為 45mm。
圖17 脛節(jié)片
和傳動(dòng)脛節(jié)片相對應(yīng)地另一塊脛節(jié)片采用加強(qiáng)膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的連結(jié)，結(jié)構(gòu)為圖14所示
兩塊脛節(jié)片平行裝配連接，通過中間的兩根連接桿用螺釘緊固。從而組成中腿。
4.5足的設(shè)計(jì)
腳是機(jī)器人直接接觸地面的一部分，有裝在踝關(guān)節(jié)上的舵機(jī)來控制運(yùn)動(dòng)。為了可以減小與地面的摩擦，足前端做成了尖的圓頭狀。如圖15所示
圖18 足
足的后半部分做寬是想要能夠?qū)⒍鏅C(jī)裝進(jìn)來。由計(jì)算所得足的長度為 90mm，這個(gè)長度是從足尖到裝在足上地舵機(jī)的轉(zhuǎn)軸長度，實(shí)際足的零件的設(shè)計(jì)長度是108mm，要保證90mm后還需要有舵機(jī)的裝配空間。足寬為 30mm。
4.6連接桿的設(shè)計(jì)
為能夠把一些零件,需要添加支持。體積小和桿連接器質(zhì)量成為首選的設(shè)計(jì)。首先,六條腿的機(jī)器人身體機(jī)身主板,兩塊板之間的距離需要推進(jìn)的大小關(guān)節(jié)舵機(jī)來確定。寬度尺寸的操舵裝置的結(jié)構(gòu)是舵機(jī)作為機(jī)身主板的基礎(chǔ)間距,結(jié)果表明連桿上的箱子應(yīng)該是44毫米長。
通過兩頭的螺釘緊固。圖16即軀干上的連接桿。
圖19 軀干連接桿
在連接桿的兩端鉆孔攻絲加工內(nèi)螺紋以便與螺釘配合。另一個(gè)是用于兩塊脛節(jié)片的連接，使得通過脛節(jié)把足和股節(jié)連接起來如：如圖17所示。
圖20 脛節(jié)連桿
4.7固定片的設(shè)計(jì)
如何使轉(zhuǎn)向軸轉(zhuǎn)矩效應(yīng)的幾個(gè)關(guān)節(jié),腿需要相關(guān)和固定,以確保機(jī)器人走路腳穩(wěn)定和良好的靈活性。需要設(shè)計(jì)特殊的部分。鑒于前面設(shè)計(jì)部分設(shè)計(jì)一塊晶片固定。推動(dòng)連接器與轉(zhuǎn)向齒輪軸直接連接,再由四個(gè)螺絲和節(jié)片或脛骨節(jié)片連接可以傳遞扭矩。
關(guān)節(jié)連接件通過中心孔和操舵裝置板固定圓柱銷連接,用于修復(fù)操舵裝置的位置,和機(jī)構(gòu),以確保穩(wěn)定的仿生蜘蛛機(jī)器人。另外連接片還通過四個(gè)螺釘與基節(jié)片或脛節(jié)片相連接。在跟關(guān)節(jié)與股節(jié)片相連的過程中以及在膝關(guān)節(jié)與脛關(guān)節(jié)的連接過程中，加上一條腿的過程中連接到腳踝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)和足根的過程中需要連接定子和連接件,關(guān)鍵部分看似簡單,實(shí)際上在確保穩(wěn)定的機(jī)構(gòu)行走的狀態(tài),它的作用。
通過尺寸計(jì)算可以確定零件的尺寸，根據(jù)需要設(shè)計(jì)的零件的結(jié)構(gòu)，在零件設(shè)計(jì)時(shí)靈活運(yùn)用如圖18和19
圖21 傳動(dòng)連接片圖 圖 22 關(guān)節(jié)連接片
5.仿真圖文詳解
圖23 仿真蜘蛛初始狀態(tài)
第一步蜘蛛六足支撐站立。
圖24 蜘蛛仿真截圖
第二步綠、藍(lán)、黃三足同時(shí)抬起，其他三足保持不動(dòng)，保持站立姿勢。
圖25 蜘蛛仿真截圖
第三步綠、藍(lán)兩足挺尸向前轉(zhuǎn)動(dòng)，其他足不變。
圖26 蜘蛛仿真截圖
第四步綠、藍(lán)兩足落下，黃足收縮落下，紅、橙、紫三足抬起，由綠、藍(lán)、黃三足支撐站立。
圖27 蜘蛛仿真截圖
第五步綠、藍(lán)兩足向后擺動(dòng)，黃足向后伸張，三足同時(shí)運(yùn)動(dòng)，使蜘蛛向前運(yùn)動(dòng)。同時(shí)紅、橙兩足向前擺動(dòng)。
圖28 蜘蛛仿真截圖
第六步紅、橙、紫三足同時(shí)落下，藍(lán)、綠、黃三足同時(shí)升起。
圖29蜘蛛仿真截圖
第七步紅、黃兩足同時(shí)向后擺動(dòng)，紫足向后收縮，三足同時(shí)用力使蜘蛛向前運(yùn)動(dòng)。綠、藍(lán)兩足向前擺動(dòng)。之后從第二步開始重復(fù)運(yùn)動(dòng)。
結(jié) 論
感謝李蕊老師精心指導(dǎo)畢業(yè)設(shè)計(jì),參考書籍和大量的機(jī)器人設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù),我成功完成了仿生蜘蛛機(jī)器人的設(shè)計(jì)和研究。主要工作包括:根據(jù)需求,確定仿生機(jī)器人的總體方案、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
這個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)給了我一個(gè)獨(dú)立的分析問題,解決問題,同時(shí)進(jìn)一步理解和鞏固理論知識(shí),鍛煉自己的實(shí)踐能力,為未來的工作是極大的幫助。還發(fā)現(xiàn)了設(shè)計(jì)中的一些不足,仍有一些有待改進(jìn),總結(jié)如下:
1）. 目前我的設(shè)計(jì),控制機(jī)器人的速度、方向,實(shí)現(xiàn)良好的控制,但在轉(zhuǎn)向步態(tài)變化大,轉(zhuǎn)換的步態(tài)是不夠敏感。因此需要進(jìn)一步研究控制系統(tǒng),完美的數(shù)學(xué)模型。
2）. 為了實(shí)現(xiàn)仿生機(jī)器人的功能,如障礙、避障或障礙,傳感器就足夠了?？梢栽黾右恍┢渌膫鞲衅?、紅外傳感器等觸摸傳感器,實(shí)現(xiàn)多傳感器的融合,共同完成的功能仿生機(jī)器人的性能,以便實(shí)現(xiàn)真正意義上的仿生機(jī)器人。
3）. 建立機(jī)器人的實(shí)體模型六邊連接連接牢固能力尚且不足
畢業(yè)設(shè)計(jì)是大學(xué)在一個(gè)大的知識(shí)培訓(xùn),為我們即將到來的工作做準(zhǔn)備。通過這次設(shè)計(jì),我看到自己的缺點(diǎn),但是從最初的不知道如何開始主動(dòng)發(fā)現(xiàn)問題在這個(gè)過程中,我不斷磨練自己。從一開始的主題選擇,感覺一個(gè)六足機(jī)器人非常有趣。規(guī)范畢業(yè)設(shè)計(jì)之后,我看見我懷疑這個(gè)選擇是否合適,是否適合我,我可以適應(yīng)。通過自己的努力慢慢克服,找到樂趣。設(shè)計(jì)的進(jìn)步提高。四個(gè)月的設(shè)計(jì)即將結(jié)束。在此期間他不斷反思補(bǔ)償不足,學(xué)會(huì)了如何做事如何提高自己。
結(jié)論要求精煉、準(zhǔn)確地闡述作者的研究成果或新的見解及意義和作用，還可進(jìn)一步提出需要討論的問題和建議。
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致謝
本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的工作是在李蕊老師的悉心指導(dǎo)下完成的，李蕊老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度和科學(xué)的工作方法給了我極大的幫助和影響。在此衷心感謝四年來李蕊老師對我的關(guān)心和指導(dǎo)。
李蕊老師悉心指導(dǎo)我們完成了畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），在學(xué)習(xí)上和生活上都給予了我很大的關(guān)心和幫助，在此向李蕊老師表示衷心的謝意。
李蕊老師對于我的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）都提出了許多的寶貴意見，在此表示衷心的感謝。
在撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）期間，陳超等同學(xué)對我畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中的舵機(jī)選擇 研究工作給予了熱情幫助，在此向他們表達(dá)我的感激之情。
另外也感謝家人，他們的理解和支持使我能夠在學(xué)校專心完成我的學(xué)業(yè)?！?
設(shè)計(jì)一個(gè)聯(lián)合仿真為上肢外骨骼機(jī)器人協(xié)助康復(fù)
摘要：介紹了外骨骼的設(shè)計(jì)和仿真基于人類手臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)，機(jī)器人用于上肢康復(fù)協(xié)助機(jī)器人。設(shè)計(jì)滿足人類手臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征,這樣的外骨骼可以讓手臂的運(yùn)動(dòng)全方位的運(yùn)動(dòng)。我們使用聯(lián)合仿真設(shè)計(jì)的上肢外骨骼，考慮模型開發(fā)的Opensim,Solidworks設(shè)計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)和Matlab構(gòu)建動(dòng)態(tài)模型。系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)在Simmechanics使用預(yù)測動(dòng)態(tài)模擬計(jì)算獲得的獨(dú)立的關(guān)節(jié)軌跡造型外骨骼的幾個(gè)優(yōu)化問題與Tomlab SNOPT解決。使用虛擬工具的外骨骼的設(shè)計(jì)流程和模塊化的結(jié)構(gòu)將允許使用3 d打印設(shè)備。外骨骼設(shè)計(jì)工作是獨(dú)立的聯(lián)合控制,以便系統(tǒng)能夠運(yùn)行被動(dòng),輔助和active-assistive模式,記錄數(shù)據(jù)分析和支持康復(fù)運(yùn)動(dòng)的過程。
關(guān)鍵詞:外骨骼、robot-mediated聯(lián)合仿真、上肢、虛擬設(shè)計(jì)
1、介紹
上肢運(yùn)動(dòng)功能障礙是一種常見的障礙，可能影響卒中后的人。如拿起一個(gè)對象定期運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行成為慢性【1】?；颊咦渲泻罂梢则?qū)動(dòng)神經(jīng)重組腦復(fù)蘇和返回功能與任務(wù)特定的重復(fù)訓(xùn)練[2]。傳統(tǒng)療法包括重復(fù)定位和活動(dòng)度(ROM)運(yùn)動(dòng),動(dòng)員、補(bǔ)償技術(shù),加強(qiáng)和耐力訓(xùn)練。中風(fēng)后,運(yùn)動(dòng)療法結(jié)合醫(yī)療實(shí)踐支持的電子設(shè)備(e-health)幫助病人的恢復(fù)利用虛擬環(huán)境旨在鼓勵(lì)個(gè)人執(zhí)行特定動(dòng)作[3 - 5]。機(jī)器人輔助設(shè)備經(jīng)常用于e-health上肢康復(fù)由于其能力,以適應(yīng)不同類型的療法。機(jī)械設(shè)備是用于促進(jìn)早期恢復(fù)運(yùn)動(dòng)的肩膀,手肘、手腕和手指[6 - 9]。已經(jīng)表明,機(jī)器人的使用調(diào)節(jié)裝置來支持在上肢運(yùn)動(dòng)障礙康復(fù)治療中風(fēng)患者,損傷措施可以顯著減少受影響的肢體[10]Robot-mediated為上肢康復(fù)包括各種形式如被動(dòng),被動(dòng)和電阻。這些模式已經(jīng)被Basteris分類最近和他的同事們根據(jù)他們的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn):活躍(Ac),輔助(如),被動(dòng)(P),passive-mirrored(PM),active-assistive(AA),糾正(C),路徑指導(dǎo)(PG)和電阻(R)。主動(dòng)模式是建立在完全的貢獻(xiàn)的用戶在執(zhí)行一個(gè)任務(wù),在被動(dòng)模式下的機(jī)器人負(fù)責(zé)運(yùn)動(dòng),而在病人和機(jī)器人輔助模式導(dǎo)致任務(wù)執(zhí)行。被動(dòng)反映模式中使用雙手的設(shè)備當(dāng)主體執(zhí)行運(yùn)動(dòng)與健康的手臂復(fù)制的受損的手臂active-assistive模式機(jī)器人糾正用戶當(dāng)他/她不正確執(zhí)行任務(wù)而在矯正模式下機(jī)器人停止用戶在同樣的條件下運(yùn)動(dòng),這樣用戶可以奪回這個(gè)任務(wù)。在電阻模式下機(jī)器人抵抗用戶正在執(zhí)行的運(yùn)動(dòng)。在路徑指導(dǎo)模式下用戶執(zhí)行軌跡觸覺的指導(dǎo)下機(jī)器人[11]。
機(jī)器人外骨骼是可穿戴的機(jī)械結(jié)構(gòu)是基于人類手臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)產(chǎn)物。每個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)可以通過控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)和位置傳感器位于關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)。這項(xiàng)工作集中在設(shè)計(jì)的8自由度(自由度)外骨骼,預(yù)計(jì)在被動(dòng)執(zhí)行,輔助和active-assistive模式。在流行robot-mediated設(shè)備已經(jīng)在該領(lǐng)域的研究流行robot-mediated設(shè)備的過去的那些年里,執(zhí)行下一個(gè)多的模式,我們可以提到active-assistive手臂外骨骼的骨頭,在active-assistive KINARM混合動(dòng)力外骨骼,輔助MAHI EXO-II L-Exos機(jī)器人外骨骼和活躍的仿生矯正法Neurorehabilitation肘部和肩膀骨頭氣動(dòng)動(dòng)力外骨骼的運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)復(fù)制人類手臂的運(yùn)動(dòng)的正常范圍。骨骼的控制系統(tǒng)可以通過編程所以援助算法可以根據(jù)用戶的需要添加[12]。KINARM外骨骼是一個(gè)商業(yè)設(shè)備使用的聯(lián)系,讓肘部和肩膀的運(yùn)動(dòng)在水平平面。KINARM記錄模式的控制系統(tǒng)的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)和關(guān)節(jié)力矩為了復(fù)制任務(wù)或應(yīng)用加載[13]。的MAHI EXO-II是一個(gè)自由度的機(jī)器人外骨骼內(nèi)置兩個(gè)肘部和前臂轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié),和一個(gè)球形關(guān)節(jié)的手腕與直流換向器電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。的設(shè)計(jì)MAHI EXO-II允許用戶記錄每個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)獨(dú)立為一個(gè)精確的手臂和手腕運(yùn)動(dòng)的知識(shí)。(14、15)。L-Exo是一個(gè)自由度的外骨骼,力反饋擬人化的胳膊和四個(gè)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)允許的肩部和肘部的ROM。系統(tǒng)也有一個(gè)被動(dòng)關(guān)節(jié),讓手腕運(yùn)動(dòng)(16、17)。
在本文中,我們目前的設(shè)計(jì)和仿真外骨骼基于人類手臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)，旨在用于上肢康復(fù)機(jī)器人協(xié)助。該設(shè)備是一個(gè)八自由度機(jī)械結(jié)構(gòu)與獨(dú)立的轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié),將允許用戶移動(dòng)全羅的手臂外骨骼是肌肉骨骼的聯(lián)合仿真軟件開發(fā)的建模和仿真運(yùn)動(dòng)(Opensim),計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件(Solidworks)和機(jī)械系統(tǒng)仿真環(huán)境(MATLAB-Simmechanics)。圖1顯示了包含元素的流程圖中使用的發(fā)展系統(tǒng)。首先,我們使用的上肢Opensim中開發(fā)一個(gè)模型提供了一個(gè)人類手臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)Solidworks的外骨骼結(jié)構(gòu)。Solidworks結(jié)構(gòu)提供了物理特性和慣性數(shù)據(jù)使用的外骨骼,后來在Matlab構(gòu)建動(dòng)態(tài)模型。自從上肢模型提供數(shù)據(jù)來模擬一個(gè)手肘旋轉(zhuǎn),我們預(yù)測動(dòng)態(tài)(PD)用于計(jì)算獨(dú)立的各關(guān)節(jié)軌跡外骨骼考慮人類手臂的ROM。我們建模外骨骼系統(tǒng)的優(yōu)化問題,基于動(dòng)態(tài)模型使用從Tomlab SNOPT解決它們。最后,我們模擬了外骨骼在Simmechanics考慮聯(lián)合使用PD軌跡了。實(shí)驗(yàn)部分給出了一個(gè)洞察力Solidworks的外骨骼的設(shè)計(jì)過程和仿真的外骨骼Simmechanics動(dòng)態(tài)模型。最后兩個(gè)部分分析模擬的結(jié)果和討論外骨骼的針對性,根據(jù)設(shè)計(jì)的目標(biāo)。
2、實(shí)驗(yàn)部分
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2.1、設(shè)計(jì)目標(biāo)
外骨骼的設(shè)計(jì)考慮特定的特點(diǎn),所以,一旦建成,機(jī)器人裝置可成功用于援助和恢復(fù)運(yùn)動(dòng)。主要objectiveof設(shè)計(jì)是滿足人類手臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征考慮獨(dú)立的聯(lián)合控制,這樣的外骨骼允許運(yùn)動(dòng)解剖中心旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)[18]。擬人化設(shè)計(jì)將允許完整的人類手臂的ROM的執(zhí)行一些運(yùn)動(dòng)和日常生活活動(dòng)(ADL)[19]。外骨骼是為了支持卒中后患者的康復(fù),能夠增加訓(xùn)練強(qiáng)度,以允許用戶實(shí)踐運(yùn)動(dòng)任務(wù)本身的自然和直觀的交互[20]。設(shè)計(jì)必須考慮安全可靠性、簡單的耐磨性和可移植性和可用性/驗(yàn)收(21、22)。最后,系統(tǒng)必須有能力記錄每個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng),以監(jiān)視和分析孤立運(yùn)動(dòng)[14]。
2.2、生物力學(xué)的人類的手臂
上肢的運(yùn)動(dòng)學(xué)位于肩胛骨的運(yùn)動(dòng)的肩膀,前臂和手。完全的組合兩個(gè)或更多,或者通過執(zhí)行這些元素的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)手臂負(fù)責(zé)定位空間。每個(gè)元素參與的運(yùn)動(dòng)學(xué)上肢有至少一個(gè)自由度有限的活動(dòng)范圍如表1所示。在運(yùn)動(dòng)參與手定位任務(wù):肩胛骨彎曲/擴(kuò)展;肩膀彎曲/擴(kuò)展,內(nèi)收/綁架,中位數(shù)/橫向旋轉(zhuǎn);屈肘/擴(kuò)展,前臂旋后,手綁架/內(nèi)收和彎曲/擴(kuò)展[23]。
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?
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2.2.1、一只手臂運(yùn)動(dòng)的仿真
外骨骼的設(shè)計(jì)是基于一個(gè)精確的模型50百分位人體手臂的男性(170厘米高)由Holzbaur和同事。該模型定義了人類手臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)為15自由度系統(tǒng),包括三個(gè)自由度的肩膀,兩肘景深,兩個(gè)自由度的手腕,食指和四個(gè)自由度的四自由度拇指[24]。模型被開發(fā)使用Opensim Delp開發(fā)的一個(gè)平臺(tái)和他的同事們在斯坦福大學(xué)的建模和仿真neuroskeletal系統(tǒng)[25]。我們使用了描述定義外骨骼的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。Opensim的手臂的模型包括彎頭的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真旋轉(zhuǎn)從0到90度。
表1。上肢的元素和他們的活動(dòng)范圍
DOF
運(yùn)動(dòng)
t旋轉(zhuǎn)角度(度)下限/上里美
肩胛骨
1
彎曲度/ 伸展度
20/15
肩膀
1
彎曲度/ 伸展度
140-180/60
2
內(nèi)側(cè)/外側(cè)
90/20
3
外展/內(nèi)收
180/20
肘
1
彎曲度/ 伸展度
150/10
前臂
1
上翻/下翻
90/80
手腕
1
外展/內(nèi)收
25-30/30-40
2
彎曲度/ 伸展度
60-80/60-90
2.3、設(shè)計(jì)規(guī)范
在Solidworks外骨骼機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，外骨骼是一種基于上肢八自由度ROM表1所示。外骨骼元素的尺寸是基于人類手臂的尺寸模型50百分位男性[24]。圖2顯示了外骨骼機(jī)械結(jié)構(gòu)的示意圖。圖2(一個(gè))顯示外骨骼的八自由度的結(jié)構(gòu)。:所有的關(guān)節(jié)為J1,J2,J3,閣下,J5,衛(wèi)星,J7和J8轉(zhuǎn)動(dòng)。背面的外骨骼,圖2所示(b),作為支持外骨骼也認(rèn)為電池。的側(cè)面的外骨骼initialpose圖2所示(c)。圖2(d)顯示了人類的手臂和肘部時(shí)的外骨骼是在一個(gè)90度的位置。
a b c d
圖1所示。外骨骼機(jī)械結(jié)構(gòu):1)示意圖和自由度,b)和c)人類手臂外骨骼的側(cè)面安裝模式,d)外骨骼和人類手臂的肘部時(shí)在一個(gè)90度的位置
2.3.1、聯(lián)合布局
結(jié)構(gòu)由八個(gè)移動(dòng)部件或鏈接顯示在圖3。圖3(一個(gè))顯示元素負(fù)責(zé)肩胛骨彎曲/擴(kuò)展運(yùn)動(dòng)。圖3中的元素(b),圖3(c)和圖3(d)允許綁架/內(nèi)收,彎曲/擴(kuò)展和內(nèi)側(cè)/外側(cè)的肩膀。圖3中的元素(e)允許屈肘/擴(kuò)展。圖3中的元素(f)允許前臂旋后運(yùn)動(dòng)。圖3中的元素(g)和圖3(h)允許手綁架/內(nèi)收和彎曲/擴(kuò)展,分別。
2.3.2、動(dòng)態(tài)模型
外骨骼的動(dòng)態(tài)模型表示為情商(1):
影響關(guān)節(jié)和代表執(zhí)行所需的扭矩所需的運(yùn)動(dòng)[26]。外骨骼的動(dòng)態(tài)模型建立了考慮機(jī)械結(jié)構(gòu)的物理特性,由于大量的自由度的系統(tǒng),我們使用遞歸動(dòng)態(tài)基礎(chǔ)上的貢獻(xiàn)所有力量影響每個(gè)鏈接為了找到整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)力。在構(gòu)建和模型的仿真系統(tǒng)被認(rèn)為是無摩擦。
2.3.3、預(yù)測動(dòng)態(tài)
動(dòng)態(tài)預(yù)測是用來預(yù)測人類運(yùn)動(dòng)造型系統(tǒng)作為一個(gè)優(yōu)化問題,以發(fā)現(xiàn)未知的關(guān)節(jié)角和未知的廣義力參與特定動(dòng)作(27、28)。我們使用預(yù)測動(dòng)態(tài)找到新軌跡,作為參考的外骨骼關(guān)節(jié)控制器系統(tǒng)的模擬。所需的旋轉(zhuǎn)接頭,問題是模型來確定關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)角受到限制,運(yùn)動(dòng)方程和物理和其他約束,同時(shí)最小化代價(jià)函數(shù)。Eq。(2)顯示了優(yōu)化問題的考慮兩種不同的成本函數(shù):動(dòng)態(tài)的努力表示為一體的廣場的所有關(guān)節(jié)扭矩()隨著時(shí)間的推移和最小關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)時(shí)間();的約束
2.4、模擬的性能
外骨骼機(jī)械結(jié)構(gòu)的開發(fā)Simmechanics為了模擬系統(tǒng)的性能。如前所述,手臂的模型包括彎頭的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真旋轉(zhuǎn)從0到90度,因此我們使用預(yù)測動(dòng)態(tài)發(fā)現(xiàn)關(guān)節(jié)軌跡,將作為參考關(guān)節(jié)控制器。首先我們得到的關(guān)節(jié)角彎頭在Opensim旋轉(zhuǎn),自定義的優(yōu)化問題是考慮兩個(gè)不同的成本函數(shù),我們使用SNOPT解算器從TOMLAB優(yōu)化環(huán)境在MATLAB解決PD問題為了找到成本函數(shù)將提供最接近真正的關(guān)節(jié)軌跡。PD的問題被認(rèn)為是動(dòng)態(tài)的努力和成本函數(shù)的執(zhí)行時(shí)間;約束所需的運(yùn)動(dòng)限制,所需的扭矩限制和所需的執(zhí)行時(shí)間。最小的時(shí)間是0.9秒的模擬肘部旋轉(zhuǎn)Opensim中執(zhí)行。最大的值所需的扭矩的重量,每個(gè)關(guān)節(jié)外骨骼的支持。:關(guān)節(jié)為J1 J2,J3和閣下支持整個(gè)手臂的重量,聯(lián)合J5支持下臂的重量和手,關(guān)節(jié),J7,J8支持的手。上臂的權(quán)重,較低的手臂和手被從50百分位maleaccording丘吉爾和他的同事們[29]。該模型的外骨骼Simmechanics建成的考慮實(shí)施提供的物理特性和慣性數(shù)據(jù)臂嗎模型和系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)。各關(guān)節(jié)的外骨骼控制獨(dú)立使用比例積分微分(PID)控制器。我們模擬了外骨骼的性能考慮不同角度的八個(gè)關(guān)節(jié)的基于低限制了人類的手臂外骨骼羅各關(guān)節(jié)的外骨骼搬一次使用關(guān)節(jié)軌跡通過預(yù)測動(dòng)態(tài)擔(dān)任參考信號(hào)的獨(dú)立的關(guān)節(jié)控制器在模擬外骨骼的運(yùn)動(dòng)。
3、結(jié)果
逆運(yùn)動(dòng)學(xué)問題的肘部運(yùn)動(dòng)Opensim和執(zhí)行軌跡獲得PD的問題的解決方案在考慮轉(zhuǎn)矩平方和最小時(shí)間成本函數(shù)圖4所示。PD問題的兩種解決方案Opensim靠近肘部軌跡。然而,PD與最低的時(shí)間成本函數(shù)提出了一個(gè)更大的均方誤差(MSE)的解決方案時(shí)獲得的使用方無邊女帽作為一個(gè)成本函數(shù)。最短時(shí)間給了241.4879的平均誤差和扭矩10.2932平方給了一個(gè)錯(cuò)誤,這意味著考慮動(dòng)態(tài)工作作為一個(gè)成本函數(shù)解決優(yōu)化問題提供了一個(gè)最親密的方法計(jì)算旋轉(zhuǎn)肘0到90度。由于建議成本函數(shù)似乎提供良好的真正方法軌跡,我們解決了八PD問題找到外骨骼的關(guān)節(jié)軌跡考慮最小時(shí)間和轉(zhuǎn)矩廣場。解決方案被用作參考信號(hào)的每個(gè)關(guān)節(jié)PID控制器的外骨骼運(yùn)動(dòng)的模擬。從0到20度,關(guān)節(jié)1旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)2從0到140度旋轉(zhuǎn),旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)3從0到90度,聯(lián)合4從0到180度旋轉(zhuǎn),聯(lián)合5從0到150度旋轉(zhuǎn),聯(lián)合6從0到90度旋轉(zhuǎn),聯(lián)合7旋轉(zhuǎn)從0到25度,聯(lián)合8旋轉(zhuǎn)從0到60度。圖5顯示關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)軌跡測量的外骨骼。
4、討論
這項(xiàng)工作提出了外骨骼的設(shè)計(jì)旨在用于robot-mediated療法中風(fēng)病人的上肢。利用Opensim的特點(diǎn)模擬人類手臂,可以設(shè)計(jì)一個(gè)外骨骼,允許的運(yùn)動(dòng)解剖的中心旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)期間人類手臂的每個(gè)元素。Solidworks外骨骼的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和提供精確的物理測量長度、質(zhì)量、質(zhì)量和慣性中心數(shù)據(jù),允許每個(gè)元素的結(jié)構(gòu)建設(shè)的外骨骼MATLAB動(dòng)態(tài)模型,并為仿真模型
運(yùn)動(dòng)在Simmechanics發(fā)達(dá)。動(dòng)態(tài)模型有助于模型系統(tǒng)預(yù)測動(dòng)力學(xué)問題,是用來預(yù)測的運(yùn)動(dòng)肘考慮轉(zhuǎn)矩廣場和旋轉(zhuǎn)所需的最小執(zhí)行時(shí)間成本函數(shù)。的解決優(yōu)化問題是準(zhǔn)確的手肘旋轉(zhuǎn)相比一只手臂模型由Holzbaur Opensim和他的同事們。我們計(jì)算均方錯(cuò)誤定義代價(jià)函數(shù)給最準(zhǔn)確的方法。結(jié)果表明,預(yù)測動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩平方作為一個(gè)成本函數(shù)有一個(gè)更小的均方誤差。的
模型實(shí)現(xiàn)的手臂Opensim肘關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)只提供數(shù)據(jù),我們使用預(yù)測動(dòng)態(tài)預(yù)測幾個(gè)關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)軌跡模擬肩膀,手肘和手腕。進(jìn)一步研究認(rèn)為動(dòng)作捕捉的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)分析上肢的運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)模擬的執(zhí)行這項(xiàng)工作,成本函數(shù)的分析結(jié)果將顯示手臂運(yùn)動(dòng)提供了最好的方法在執(zhí)行特定的聯(lián)合旋轉(zhuǎn)。外骨骼滿足的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征人類手臂考慮獨(dú)立的聯(lián)合控制,允許全面的運(yùn)動(dòng)執(zhí)行重復(fù)的練習(xí)和運(yùn)動(dòng)任務(wù)支持卒中后康復(fù)患者相比其他系統(tǒng)如KINARM只支持的康復(fù)肘部和肩膀在水平面;MAHI EXO-II的5自由度允許therehabilitation肘,前臂和手腕;L-EXO旨在恢復(fù)的肩膀和肘部。因?yàn)槔寐?lián)合仿真的虛擬工具可以設(shè)置相應(yīng)的,可以構(gòu)建個(gè)性化設(shè)備根據(jù)每個(gè)用戶的需求。模塊化的外骨骼的設(shè)計(jì)將允許其使用聚合物將建設(shè)3 d打印機(jī)為用戶降低設(shè)備的重量,有利于其耐磨性和可移植性。自外骨骼設(shè)計(jì)獨(dú)立的聯(lián)合控制,系統(tǒng)將有能力為協(xié)助編寫算法類似于骨頭外骨骼,使其工作被動(dòng),輔助和active-assistive模式。提出獨(dú)立的聯(lián)合
各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的控制適用于記錄執(zhí)行期間所需的鍛煉或運(yùn)動(dòng)任務(wù),外骨骼KINARM,MAHI EXO-II,L-EXO做。這特征將有助于康復(fù)過程的跟蹤,將允許用戶分析適當(dāng)時(shí)手臂的關(guān)節(jié)軌跡移動(dòng)的羅在具體的執(zhí)行任務(wù),如挑選對象。這一特點(diǎn)也將有助于分析的準(zhǔn)確性不同的關(guān)節(jié)軌跡計(jì)算使用預(yù)測動(dòng)態(tài)確定針對性使用外骨骼負(fù)責(zé)運(yùn)動(dòng)時(shí)手臂的被動(dòng)和active-assistive模式,創(chuàng)建一個(gè)數(shù)據(jù)庫來測試未來個(gè)性化的外骨骼。未來工作包括外骨骼的建設(shè)和識(shí)別的摩擦動(dòng)力學(xué)模型的驗(yàn)證。
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