外骨骼机器人设计

【摘要】：当前的机电产品面临着来自市场、用户、功能、维护、加工装配、成本、环保和内部扰动等多重需求，日趋激烈的竞争要求产品可以迅速响应这些需求的同时维持较低的成本，这对产品的设计提出了新的挑战。本文研究了机电产品的设计理论方法并且将其运用到了外骨骼机器人的设计中。设计方法分为三个层面，即一般设计过程、模块化优化设计和多重优化设计。一般设计过程包括四个步骤即需求分析、概念设计、实体设计和详细设计；经过一般设计过程得到的初始设计在功能、构型和结构进行模块化设计达到功能扩展；这些产品设计再经过运动学、动力学和几何三个层面的优化，来确保功能完善和性能可靠。具体应用到外骨骼机器人中，首先进行了外骨骼机器人的初始设计-床式外骨骼康复机器人。床式外骨骼康复机器人分为基体和外骨骼两个部分用神经网络设计自动跳舞机器人控制系通过，基体采用曲柄摇杆的原理设计为起立床，外骨骼采用曲柄滑块的原理设计为有膝关节和髋关节构成的外骨骼。初始设计的床式外骨骼康复机器人通过模块化设计进行了功能拓展用神经网络设计自动跳舞机器人控制系通过，由模块化设计理念将床式外骨骼机器人拓展为立式外骨骼康复机器人和坐式外骨骼康复机器人。新设计了立式基体、坐式基体和良好的基体外骨骼接口，来实现这两种基体和前述设计外骨骼的相容性。文章研究了对这三种外骨骼机器人的多重优化：solidworks运动模拟实现外骨骼的运动学优化；建立动力学模型并且用solidworks和matlab进行了仿真进行外骨骼的动力学优化；对外骨骼进行了有限元分析，基于结果进行了几何优化，对于各种基体进行了应变和模态分析，确保其设计的正确性。