人机结合型上肢助力机械臂的研究与设计

发布时间：2020-04-25 17:58

【摘要】：机床上下料领域,10kg以内小型物料的搬运工作主要是由工人完成的,长时间的工作会引起上肢疲劳;此外,机床的不正当操作或突发情况的出现,也有可能对人体上肢产生伤害。针对上述问题,本文研究设计一款基于液压驱动的穿戴式上肢助力机械臂,用于辅助人体搬运10kg以内的小型物料。穿戴助力机械臂后,可以把末端负载力传递到全身,从而缓解人体上肢的疲劳;同时,末端执行器代替工人人手操作,起到了安全保护的作用。本文的主要研究工作如下:助力机械臂结构设计。依据工作要求,从人体上肢运动机理出发,设计一套5自由度上肢助力机械臂;以液压作为驱动源,对液压回路进行分析设计;传动方式选择钢丝绳传动,对钢丝绳进行选型设计;对主体部件和主要零件进行静力分析,检验结构设计的可靠性。助力机械臂运动学分析。借助D-H法构造运动学模型,进行运动学正逆解的计算;基于蒙特卡洛算法,借助Matlab求解工作空间云图;计算雅可比矩阵,建立关节和末端执行器间的速度映射关系;基于ADAMS针对两种常见搬运任务,进行运动学仿真分析。助力机械臂动力学分析。通过添加辅助弹簧、滑轮的方式,建立助力机械臂的重力平衡模型,使其在运动过程中势能保持不变,减少关节损耗;借助拉格朗日方程法,构建动力学方程;基于ADAMS进行动力学仿真,分析对比重力平衡状态和非重力平衡状态下的关节力矩变化曲线,考察重力平衡的有效性。
【图文】：

Hardiman系统

以增强人体提重能力为主要目的。此外，人体穿戴机械臂后利用末端执行器代替人手操作，可以有效的减少工伤的发生，保护人体的自身安全。本研究在减轻人体上肢疲劳和保护人体安全方面具有重要的研究意义，应用前景广泛。1.2 国内外研究现状1.2.1 国外研究现状人类试图增强自身力量和耐力的梦想自古就有，在科学技术日益发展的今天，助力机械的研究逐渐地引起了人们的注意。人们对这种可以增强人体力量，提高自身耐力，并提供安全防护的机械装置，，产生了极大的关注[8-9]。1960 年，美国和日本率先提出了开展外骨骼装置研究的计划。研究者们试图研发出一种可以穿在人体上，同时又具有动力装置的外骨骼机构。外骨骼在控制系统的控制下，利用驱动装置来模拟人体肌肉的动作，带动外骨骼进行运动，使操作者在穿上外骨骼后，会拥有超出自身极限的强大力量[10]。这一研究一经提出，激起了人们的广泛关注，在此之后，其他研究者们也陆续投入到外骨骼的研究中去。
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP241

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本文编号：2640531