下肢助力外骨骼轻量化与助力性能研究

发布时间：2020-11-21 12:26

　　 随着军事技术的不断进步,为单兵配备的武器装备显著增加,新增的装备在增强士兵作战能力的同时,也增加了士兵的负荷,为减轻士兵的负重,急需研制一种能够适应野外等复杂地形环境,并能辅助士兵承载的动力装置。另据权威调查数据显示,我国具有运动功能障碍的残疾人已达2472万人,而其中仅有36.7万人接受了康复训练,大力研发具有高效康复训练功能的医疗器具成为解决当前我国康复医疗困境的重要途径。研发具备辅助承载或康复训练功能的外骨骼机器人是解决上述两大问题的有力手段。本文以具有辅助用户承载功能的下肢助力外骨骼为研究对象,旨在提高下肢助力外骨骼的轻量化水平和寻找新的助力性能量化指标。基于拟人化原则,设计了下肢助力外骨骼数字样机,利用虚拟样机软件ADAMS建立了人体简化仿真模型和人机穿戴仿真模型,仿真模拟了用户在穿戴上下肢助力外骨骼后,在奔跑、蹲起和上楼梯等高负荷步态时的运动。以下肢助力外骨骼大腿为例,阐述了获取下肢助力外骨骼各零部件在上述三种步态下的受力情况的具体方法,并从中提取出了若干可能引起下肢助力外骨骼强度失效的危险载荷组合。以下肢助力外骨骼大腿为例,基于结构优化软件Optistruct和上述危险载荷组合,建立了下肢助力外骨骼大腿的优化模型,并对其进行了迭代求解,对比分析了各组载荷组合的优化结果,得到了大腿最优的材料分布。提出了两个新的助力性能量化指标矩差和△T和矩差功率比μ,给出了获取两个量化指标的技术路线,并对下肢助力外骨骼,在平地行走、上楼梯和下楼梯这三种常见步态下的助力性能进行了评价。
【学位单位】：山东科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：R496;TP242
【部分图文】：

外骨骼机器人在康复医疗领域的应用，并取得了重大进展，部分成果早己商业??化，并在各大医疗机构为残障人士服务，成为了康复理疗师的好帮手。??１９９９年，日本筑波大学发布了一款混合辅助外骨骼机器人ＨＡＬ?（图１－４），??ＨＡＬ既能增强人体运动机能，又能辅助具有肢体运动功能障碍的病人完成日常??所需基本运动，ＨＡＬ有全身、单腿和双腿之分，可满足不同群体的需要［１３］，随??后又于２００１年和２００５年推出了升级版ＨＡＬ３和ＨＡＬ５，?ＨＡＬ３有６个关节，髋??关节和膝关节由直流电机驱动，踝关节由被动弹簧支撑，用以稳固整个肢体。??ＨＡＬ５是全身外骨骼机器人，重量仅有１４７Ｎ，整个肢体框架由铝合金打造，仅??在关节处使用了钢材。ＨＡＬ首次采用了?ＥＭＧ肌电信号检测人体运动意图，通??过肌电传感器获得的数据，电机可配合人体肌肉跟随人体运动，ＨＡＬ的控制器??采用配备无线网卡的小型ＰＣ

外骨骼机器人在康复医疗领域的应用，并取得了重大进展，部分成果早己商业??化，并在各大医疗机构为残障人士服务，成为了康复理疗师的好帮手。??１９９９年，日本筑波大学发布了一款混合辅助外骨骼机器人ＨＡＬ?（图１－４），??ＨＡＬ既能增强人体运动机能，又能辅助具有肢体运动功能障碍的病人完成日常??所需基本运动，ＨＡＬ有全身、单腿和双腿之分，可满足不同群体的需要［１３］，随??后又于２００１年和２００５年推出了升级版ＨＡＬ３和ＨＡＬ５，?ＨＡＬ３有６个关节，髋??关节和膝关节由直流电机驱动，踝关节由被动弹簧支撑，用以稳固整个肢体。??ＨＡＬ５是全身外骨骼机器人，重量仅有１４７Ｎ，整个肢体框架由铝合金打造，仅??在关节处使用了钢材。ＨＡＬ首次采用了?ＥＭＧ肌电信号检测人体运动意图，通??过肌电传感器获得的数据，电机可配合人体肌肉跟随人体运动，ＨＡＬ的控制器??采用配备无线网卡的小型ＰＣ

外骨骼机器人在康复医疗领域的应用，并取得了重大进展，部分成果早己商业??化，并在各大医疗机构为残障人士服务，成为了康复理疗师的好帮手。??１９９９年，日本筑波大学发布了一款混合辅助外骨骼机器人ＨＡＬ?（图１－４），??ＨＡＬ既能增强人体运动机能，又能辅助具有肢体运动功能障碍的病人完成日常??所需基本运动，ＨＡＬ有全身、单腿和双腿之分，可满足不同群体的需要［１３］，随??后又于２００１年和２００５年推出了升级版ＨＡＬ３和ＨＡＬ５，?ＨＡＬ３有６个关节，髋??关节和膝关节由直流电机驱动，踝关节由被动弹簧支撑，用以稳固整个肢体。??ＨＡＬ５是全身外骨骼机器人，重量仅有１４７Ｎ，整个肢体框架由铝合金打造，仅??在关节处使用了钢材。ＨＡＬ首次采用了?ＥＭＧ肌电信号检测人体运动意图，通??过肌电传感器获得的数据，电机可配合人体肌肉跟随人体运动，ＨＡＬ的控制器??采用配备无线网卡的小型ＰＣ
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本文编号：2892997