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下肢外骨骼变轴线膝关节构型设计与杆长优化

李潇 张建军 戚开诚 杨高炜

李潇,张建军,戚开诚, 等. 下肢外骨骼变轴线膝关节构型设计与杆长优化[J]. 机械科学与技术,2020,39(8):1230-1236 doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190213
引用本文: 李潇,张建军,戚开诚, 等. 下肢外骨骼变轴线膝关节构型设计与杆长优化[J]. 机械科学与技术,2020,39(8):1230-1236 doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190213
Li Xiao, Zhang Jianjun, Qi Kaicheng, Yang Gaowei. Design and Optimization of Lower Limb Exoskeleton with Variable Axis Knee Joint Mechanism[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2020, 39(8): 1230-1236. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190213
Citation: Li Xiao, Zhang Jianjun, Qi Kaicheng, Yang Gaowei. Design and Optimization of Lower Limb Exoskeleton with Variable Axis Knee Joint Mechanism[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2020, 39(8): 1230-1236. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190213

下肢外骨骼变轴线膝关节构型设计与杆长优化

doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190213
基金项目: 国家自然科学基金项目(51175144)、天津市自然科学重点基金项目(17JCZDJC40200)及河北省教育厅科学研究计划重点项目(ZD2019052)资助
详细信息
    作者简介:

    李潇(1995−),硕士研究生,研究方向为并联机器人,441620241@qq.com

    通讯作者:

    张建军,教授,博士生导师,zhjjun96@139.com

  • 中图分类号: TH112

Design and Optimization of Lower Limb Exoskeleton with Variable Axis Knee Joint Mechanism

  • 摘要: 针对人体膝关节轴线具有可变性,定轴线膝关节机构必然使外骨骼与人腿协调性较差的问题,在一种无驱动含耦合双支闭链的下肢外骨骼的基础上,采用一种变轴线膝关节机构。首先,根据人体膝关节“J”型瞬心轨迹特点,确定合适的变轴线膝关节机构,并且建立含变轴线膝关节的外骨骼整体模型;其次,通过遗传算法计算出符合人体膝关节瞬心轨迹的变轴线膝关节的参数;最后,通过MATLAB计算验证变轴线膝关节的瞬心轨迹符合人体膝关节瞬心轨迹。结果表明:变轴线膝关节瞬心轨迹更加贴合人体膝关节的瞬心轨迹,含变轴线膝关节机构的外骨骼步态更加符合人体步态。
  • 图  1  下肢外骨骼结构图

    图  2  下肢外骨骼样机

    图  3  膝关节瞬心轨迹

    图  4  图解法验证膝关节的瞬心

    图  5  含变轴线膝关节的外骨骼整体结构

    图  6  外骨骼运动学模型

    图  7  局部坐标系

    图  8  优化流程示意图

    图  9  变轴线膝关节与人体膝关节瞬心轨迹对比图

    表  1  l5 ~ l9各杆长度

    杆长参数l5l6l7l8l9
    长度/mm133.5210570415 ~ 445154
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    表  2  θ1 ~ θ3各角度范围

    角度参数θ1θ2θ3
    角度/(°)−20 ~ 200 ~ 30−20 ~ 30
    下载: 导出CSV

    表  3  人体膝关节瞬心理想坐标值

    膝屈曲
    角/(°)
    xpt/mmypt/mm膝屈曲
    角/(°)
    xpt/mmypt/mm
    0.0 0.0 0.0 70.0 14.0 129.0
    10.0 31.0 47.0 80.0 12.0 130.0
    20.0 31.0 87.0 90.0 11.0 131.0
    30.0 26.0 107.0 100.0 9.0 132.0
    40.0 21.0 118.0 110.0 7.0 132.0
    50.0 18.0 124.0 120.0 5.0 133.0
    60.0 16.0 127.0 130.0 2.0 133.0
    下载: 导出CSV

    表  4  优化后的膝关节各杆长

    杆长参数l1l21l31l41l43
    长度/mm52.525.826.118.6419.4
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-05-31
  • 网络出版日期:  2020-08-26
  • 刊出日期:  2020-08-05

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