【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(kuò)展其下部肢位運(yùn)動(dòng)能力,減少人體骨骼負(fù)載及關(guān)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(shí)間短、適應(yīng)性差的問(wèn)題,無(wú)法在山地、丘陵等復(fù)雜地形下使用。本文提出了一種含儲(chǔ)能元件輔助負(fù)重的閉鏈人體下肢外骨骼,該外骨骼通過(guò)借鑒人體蓄能策略,增設(shè)仿生儲(chǔ)能元件以提高人體能耗比,并以人體關(guān)節(jié)為驅(qū)動(dòng)源,實(shí)現(xiàn)輔助人體長(zhǎng)時(shí)間遠(yuǎn)距離負(fù)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(guò)ADAMS對(duì)各方案的仿真分析確定了最終的運(yùn)動(dòng)方案。該方案確定了由主體框架及儲(chǔ)能元件組成的機(jī)械結(jié)構(gòu),并對(duì)下肢外骨骼的運(yùn)動(dòng)方案進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。其次,用封閉矢量法建立該下肢外骨骼的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型,對(duì)人體和下肢外骨骼進(jìn)行靜力學(xué)分析,并用MATLAB軟件對(duì)下肢外骨骼靜力學(xué)求解。進(jìn)而結(jié)合人體行走特性,設(shè)計(jì)帶有預(yù)緊力的變剛度彈簧為仿生儲(chǔ)能元件,同時(shí)以一個(gè)步態(tài)周期內(nèi),人體腿部各關(guān)節(jié)總有效轉(zhuǎn)矩最小為目標(biāo),采用逐步搜索法確定最優(yōu)彈簧剛度。最后,通過(guò)ADAMS軟件動(dòng)力學(xué)仿真驗(yàn)證下肢外骨骼數(shù)學(xué)模型的正確性,并根據(jù)下肢外骨骼總體設(shè)計(jì)加工制造第一代原理樣機(jī),達(dá)到20kg負(fù)載減重95%、減少人體關(guān)節(jié)總有效轉(zhuǎn)矩13.4%;40kg負(fù)載減重80%,減少人體關(guān)節(jié)總有效轉(zhuǎn)矩11.9%的效果。通過(guò)人體穿戴實(shí)驗(yàn)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(shí)間短、環(huán)境適應(yīng)性差、承載能力小、動(dòng)態(tài)性能差、笨重、能耗大的問(wèn)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(jī)，圖1.1(b)為外骨骼單側(cè)手臂和腿部運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖。該人體外骨骼需外接電源驅(qū)動(dòng)，不可獨(dú)立行走并無(wú)蓄能機(jī)構(gòu)，但可應(yīng)用于貨物搬運(yùn)等場(chǎng)合。該機(jī)構(gòu)為并聯(lián)機(jī)構(gòu)，，自重160kg共有22個(gè)自由度，采用仿生控制原理操控氣動(dòng)元件為其提供動(dòng)力，該機(jī)構(gòu)可以搬運(yùn)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(jī)輸出最高轉(zhuǎn)速為1300r/min、輸出功率680w。該全身外骨骼機(jī)構(gòu)具有以下特點(diǎn)：可以完成對(duì)物體的搬運(yùn)、運(yùn)輸及操控

及高校[35]都進(jìn)行了實(shí)用性可穿戴外骨骼機(jī)器人的研究。如圖1.2所示中國(guó)兵器集團(tuán)202所[36]2015年在中國(guó)軍民融合技術(shù)裝備博覽會(huì)上首次展示了中國(guó)單兵外骨骼，該外骨骼采用外部驅(qū)動(dòng)，利用電池提供能源；如圖1.3所示北京航空航天大學(xué)陳偉海等[37]提出一種新型的平面三自由度下肢康復(fù)串并聯(lián)式外骨骼，用于人體下肢康復(fù)訓(xùn)練。如圖1.4所示2016年華中科技大學(xué)王東海[38]等人設(shè)計(jì)了一種無(wú)驅(qū)動(dòng)柔性關(guān)節(jié)減重下肢外骨骼，該外骨骼可以通過(guò)膝關(guān)節(jié)將負(fù)載傳遞到地面并通過(guò)髖關(guān)節(jié)彈簧儲(chǔ)能元件輔助行走以達(dá)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(fù)串并聯(lián)式外骨骼
【學(xué)位授予單位】：河北工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類(lèi)號(hào)】：TH789

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2637804