含储能元件辅助负重人体下肢外骨骼的机构设计及力学性能研究

发布时间：2020-04-23 13:53

【摘要】：辅助人体承重的下肢外骨骼是指可穿戴于人体之上并扩展其下部肢位运动能力,减少人体骨骼负载及关节转矩的外骨骼,但传统下肢外骨骼存在质量大、续航时间短、适应性差的问题,无法在山地、丘陵等复杂地形下使用。本文提出了一种含储能元件辅助负重的闭链人体下肢外骨骼,该外骨骼通过借鉴人体蓄能策略,增设仿生储能元件以提高人体能耗比,并以人体关节为驱动源,实现辅助人体长时间远距离负重行走。首先,根据人体特性提出了三种下肢外骨骼的初选方案,通过ADAMS对各方案的仿真分析确定了最终的运动方案。该方案确定了由主体框架及储能元件组成的机械结构,并对下肢外骨骼的运动方案进行了结构设计。其次,用封闭矢量法建立该下肢外骨骼的运动学模型,对人体和下肢外骨骼进行静力学分析,并用MATLAB软件对下肢外骨骼静力学求解。进而结合人体行走特性,设计带有预紧力的变刚度弹簧为仿生储能元件,同时以一个步态周期内,人体腿部各关节总有效转矩最小为目标,采用逐步搜索法确定最优弹簧刚度。最后,通过ADAMS软件动力学仿真验证下肢外骨骼数学模型的正确性,并根据下肢外骨骼总体设计加工制造第一代原理样机,达到20kg负载减重95%、减少人体关节总有效转矩13.4%;40kg负载减重80%,减少人体关节总有效转矩11.9%的效果。通过人体穿戴实验得出该外骨骼可大幅提升人体能源利用率,改善了传统下肢外骨骼续航时间短、环境适应性差、承载能力小、动态性能差、笨重、能耗大的问题。
【图文】：

外骨骼,机构

[12](A Full-BodyExoskeleton for the Transport and Handling of Heavy Loads)；图1.1(a)为全身外骨骼样机，图1.1(b)为外骨骼单侧手臂和腿部运动机构简图。该人体外骨骼需外接电源驱动，不可独立行走并无蓄能机构，但可应用于货物搬运等场合。该机构为并联机构，，自重160kg共有22个自由度，采用仿生控制原理操控气动元件为其提供动力，该机构可以搬运重量在50kg以下的物体，最大输出力500N，最大输出转矩5N·M，电机输出最高转速为1300r/min、输出功率680w。该全身外骨骼机构具有以下特点：可以完成对物体的搬运、运输及操控

外骨骼

及高校[35]都进行了实用性可穿戴外骨骼机器人的研究。如图1.2所示中国兵器集团202所[36]2015年在中国军民融合技术装备博览会上首次展示了中国单兵外骨骼，该外骨骼采用外部驱动，利用电池提供能源；如图1.3所示北京航空航天大学陈伟海等[37]提出一种新型的平面三自由度下肢康复串并联式外骨骼，用于人体下肢康复训练。如图1.4所示2016年华中科技大学王东海[38]等人设计了一种无驱动柔性关节减重下肢外骨骼，该外骨骼可以通过膝关节将负载传递到地面并通过髋关节弹簧储能元件辅助行走以达到节省人体能耗的目的。图1.2 南京军区外骨骼图1.3 下肢康复串并联式外骨骼
【学位授予单位】：河北工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TH789

【参考文献】