单电机驱动多关节的助力外骨骼设计文献综述

 2022-09-16 10:09

  1. 文献综述(或调研报告):

1.引言

随着经济与医疗条件的快速发展,越来越多的国家面临着人口老龄化的问题,预计到2037年中国60岁以上的老年人将突破4亿,到2051年达到顶峰4.6亿,其比重超过总人口31%[1]。老年人口规模扩大且普遍存在着身体机能下降以及其他疾病引发的行动不便和步态障碍。通常有肢体无力或上下肢感觉障碍,平衡能力不够导致站立不稳,行走能力明显受限,严重影响其日常生活。因此急需大量的便携式可穿戴下肢助力及康复装置,帮助患者训练恢复丧失的运动功能,提高其行走能力,进而改善日常生活质量。

下肢康复外骨骼的研究融合了机械学、生物运动学、计算机、控制工程技术、人工智能等众多科学知识[2]。从20世纪80年代开始该领域的研究,随着科学技术和外骨骼相关学科领域的突破和迅猛发展,自1990年后对下肢康复外骨骼课题的研究快速发展,各国越来越多的学者和科研人员开始参与该课题的研究[3]

2.串联弹性

根据Hill肌肉模型,用三个基本单元即收缩单元CU、串联弹性单元SEU、并联弹性单元PEU描述肌肉的物理和力学特性,并能和肌肉的生物组织组成相互对应。在外骨骼的关节执行系统和驱动系统之间加入串联弹性,模拟了肌肉中的串联弹性单元SEU,使关节具有柔顺性和储能特性。

串联弹性执行器的优点主要为[4]

  1. 这种串联弹性执行器具有很低的输出阻抗,采用串联弹性执行器可以使得其输出在很大程度上避免受到电机惯性因素以及齿轮传动机构摩擦力的动力学影响。
  2. 人为地在驱动机构和负载之间设置弹性体可以极大地提高执行器的耐冲击性能。
  3. 极大地提高了力控制的保真度。
  4. 执行器对驱动电机的力保真度要求大大地减小了,这样就可以降低成本支出。
  5. 加入了串联弹性体力控制的稳定性得到了提高,执行器有了串联弹性体的减震缓冲作用的颤动现象大为减小。

3.单套索模型

套索在传递动力的时候,受到摩擦、形状、弹性负载等的影响,输入端和输出端的位移和力矩不一致,所以要建立相应的模型。

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