【摘要】：輔助人體承重的下肢外骨骼是指可穿戴于人體之上并擴展其下部肢位運動能力,減少人體骨骼負載及關節(jié)轉(zhuǎn)矩的外骨骼,但傳統(tǒng)下肢外骨骼存在質(zhì)量大、續(xù)航時間短、適應性差的問題,無法在山地、丘陵等復雜地形下使用。本文提出了一種含儲能元件輔助負重的閉鏈人體下肢外骨骼,該外骨骼通過借鑒人體蓄能策略,增設仿生儲能元件以提高人體能耗比,并以人體關節(jié)為驅(qū)動源,實現(xiàn)輔助人體長時間遠距離負重行走。首先,根據(jù)人體特性提出了三種下肢外骨骼的初選方案,通過ADAMS對各方案的仿真分析確定了最終的運動方案。該方案確定了由主體框架及儲能元件組成的機械結(jié)構(gòu),并對下肢外骨骼的運動方案進行了結(jié)構(gòu)設計。其次,用封閉矢量法建立該下肢外骨骼的運動學模型,對人體和下肢外骨骼進行靜力學分析,并用MATLAB軟件對下肢外骨骼靜力學求解。進而結(jié)合人體行走特性,設計帶有預緊力的變剛度彈簧為仿生儲能元件,同時以一個步態(tài)周期內(nèi),人體腿部各關節(jié)總有效轉(zhuǎn)矩最小為目標,采用逐步搜索法確定最優(yōu)彈簧剛度。最后,通過ADAMS軟件動力學仿真驗證下肢外骨骼數(shù)學模型的正確性,并根據(jù)下肢外骨骼總體設計加工制造第一代原理樣機,達到20kg負載減重95%、減少人體關節(jié)總有效轉(zhuǎn)矩13.4%;40kg負載減重80%,減少人體關節(jié)總有效轉(zhuǎn)矩11.9%的效果。通過人體穿戴實驗得出該外骨骼可大幅提升人體能源利用率,改善了傳統(tǒng)下肢外骨骼續(xù)航時間短、環(huán)境適應性差、承載能力小、動態(tài)性能差、笨重、能耗大的問題。
【圖文】：

[12](A Full-BodyExoskeleton for the Transport and Handling of Heavy Loads)；圖1.1(a)為全身外骨骼樣機，圖1.1(b)為外骨骼單側(cè)手臂和腿部運動機構(gòu)簡圖。該人體外骨骼需外接電源驅(qū)動，不可獨立行走并無蓄能機構(gòu)，但可應用于貨物搬運等場合。該機構(gòu)為并聯(lián)機構(gòu)，，自重160kg共有22個自由度，采用仿生控制原理操控氣動元件為其提供動力，該機構(gòu)可以搬運重量在50kg以下的物體，最大輸出力500N，最大輸出轉(zhuǎn)矩5N·M，電機輸出最高轉(zhuǎn)速為1300r/min、輸出功率680w。該全身外骨骼機構(gòu)具有以下特點：可以完成對物體的搬運、運輸及操控

及高校[35]都進行了實用性可穿戴外骨骼機器人的研究。如圖1.2所示中國兵器集團202所[36]2015年在中國軍民融合技術裝備博覽會上首次展示了中國單兵外骨骼，該外骨骼采用外部驅(qū)動，利用電池提供能源；如圖1.3所示北京航空航天大學陳偉海等[37]提出一種新型的平面三自由度下肢康復串并聯(lián)式外骨骼，用于人體下肢康復訓練。如圖1.4所示2016年華中科技大學王東海[38]等人設計了一種無驅(qū)動柔性關節(jié)減重下肢外骨骼，該外骨骼可以通過膝關節(jié)將負載傳遞到地面并通過髖關節(jié)彈簧儲能元件輔助行走以達到節(jié)省人體能耗的目的。圖1.2 南京軍區(qū)外骨骼 圖1.3 下肢康復串并聯(lián)式外骨骼
【學位授予單位】：河北工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TH789

【參考文獻】

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本文編號：2637804