负重爬楼助力装置的研究与开发

作     者：刘腾云 

作者单位：天津科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张峻霞

授予年度：2020年

学科分类：1305[艺术学-设计学（可授艺术学、工学学位）] 13[艺术学] 

主      题：机械外骨骼 腰部助力 膝关节助力 仿真分析 

摘      要：随着科技的日益进步,越来越多各行各业的研究人员投身到外骨骼的研究项目当中。外骨骼助力装置是具有可穿戴性能且能够跟随人体做出相应协调运动的机械装置。该装置在满足人体正常运动的情况下,能够为穿戴者提供助力亦或是增强人体机能。负重爬楼是人体典型的运动方式之一,WMSDs常发生在需要频繁进行负重爬楼作业的职业人员身上。因此,研发一款适用于楼梯行走环境下,辅助负重作业人员完成负重任务的可穿戴式的助力装置,具有重要的现实意义。目前国内外已有较多助力外骨骼样机,但针对负重以及楼梯行走环境的研究成果较少,还有待进行更为深入的研究。本文通过对人体楼梯负重行走过程中运动机理的研究,确定具体要进行助力的部位为人体的腰部和腿部的膝关节,并对其进行生理结构与运动生物力学的分析。设计实验进行人体负重爬楼步态数据的采集与分析,为接下来模型的建立、助力方案的提出打下良好的数据基础。本课题的负重爬楼助力装置,主要应用于人体负重爬楼作业的场合,为穿戴者提供助力。该装置能够将人体负载传导至地面,并将人体的部分动能转化为弹性势能,储存在储能弹簧中,待人体做功时再释放出能量。该装置能够降低穿戴者的劳动强度,有效降低穿戴者负重感,从而达到助力的目的,提高穿戴者的工作效率。经济、实用、简单的机械结构设计是本课题开展的基础。装置整体采用拟人化的构型设计,参考人体工学以及人体运动相关的各种数据,使得该装置在能够承受目标载荷的条件下,尽量减小整体的质量和外形尺寸。使用虚拟样机分析软件ADAMS对负重爬楼助力装置的理论模型进行仿真分析,验证结构的合理性和良好的人机协调性。除此之外,本文还对助力装置的外观进行了初步设计,以减轻穿戴者使用时的心理负担。