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液压驱动外骨骼腰部助力方法研究

液压驱动外骨骼腰部助力方法研究

作者：诸梦强河北工业大学

学位级别：硕士

外骨骼是综合了机械结构和智能传感的机电系统。外骨骼更多的运用在军事领域上,士兵穿上后能过显著得提升自己的负重能力和耐久力。随着科技与时代的发展,外骨骼的使用开始走进医疗领域,开始作为康复训练中不可缺少的一部分,如帮助患有... 详细信息

外骨骼是综合了机械结构和智能传感的机电系统。外骨骼更多的运用在军事领域上,士兵穿上后能过显著得提升自己的负重能力和耐久力。随着科技与时代的发展,外骨骼的使用开始走进医疗领域,开始作为康复训练中不可缺少的一部分,如帮助患有偏瘫和中风的患者进行训练,帮助肢体残疾患者获得基本的行动能力。现如今,外骨骼更贴近人们社会生活,快递、外买小哥也纷纷穿上了外骨骼,帮助他们在工作中提高效率。助力外骨骼是外骨骼研究中的一支,对人不同的身体部位有不同的助力方式,改进助力方式使其能保护使用者身体,提高助力效率是研究外骨骼助力方法的方向。腰部肌肉是人体中部的核心肌肉群,优秀的腰部助力外骨骼可以减小人们患上腰部疾病的几率。本文主要针对设计的液压腰部助力外骨骼进行如下研究:(1)对人体腰部结构进行了研究,通过结合国内外研究资料分析现有腰部助力方式,总结其优缺点,融合归纳后提出自己的观点,并以此为基础设计全新的腰部助力外骨骼,采用了具有不对成支链的并联机构设计方式。综合设计目的和要求选择液压作为驱动力,并设计了该外骨骼的液压驱动系统。(2)分析液压腰部助力外骨骼的机构模型。在分析过程中,引入人体脊柱作为机构中的一柔性杆件,并简化了机构模型对其进行逆运动学分析。通过实验和图像分析的方法获得了机构执行末端的运动数据,并拟合成曲线,以此为出发点进行逆运动学求解,获得其他活动杆件的杆长和速度等信息。通过粒子群算法优化外骨骼设计参数。使设计的外骨骼运动末端曲线更贴合实验得到的拟合曲线。(3)对腰部助力外骨骼建立静力学模型,通过静力平衡公式对人体弯腰起身时腰部内力进行分析。因为引入人体脊柱作为机构中的柔性杆件,所以运用更能针对柔性机构分析的链式算法对人体内力进行计算。通过对算例的分析,可证明腰部助力外骨骼可在人弯腰起身过程中降低重物对腰部的压迫。(4)对液压腰部助力外骨骼的助力效果进行实体样机实验。通过采集志愿者在弯腰搬起不同重物时腰部脊直肌的表面肌肉电信号,进过信号采集模块处理后,可获得表示肌肉运动剧烈程度的功率值。通过分析实验数据,可以证明液压腰部助力外骨骼的助力效果。

关键词：外骨骼腰部助力粒子群算法链式算法表面肌电信号

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被动式腰部助力外骨骼设计

被动式腰部助力外骨骼设计

作者：张雨虓天津科技大学

学位级别：硕士

随着建筑、物流等行业的兴起,越来越多的工人不得不承担更为艰苦的手工搬运劳动。长时间使用手工搬运的方式搬运重物会导致肌肉骨骼的损伤,当腰部肌肉和关节力矩超过人体所能承受的范围时,容易造成下腰痛,这也是手工搬运工人最常见的病... 详细信息

随着建筑、物流等行业的兴起,越来越多的工人不得不承担更为艰苦的手工搬运劳动。长时间使用手工搬运的方式搬运重物会导致肌肉骨骼的损伤,当腰部肌肉和关节力矩超过人体所能承受的范围时,容易造成下腰痛,这也是手工搬运工人最常见的病症。因此可以利用一些机械辅助装置,例如外骨骼,来对人体腰部运动进行相应的助力。但现在市场上存在的外骨骼大多都是面向部队或是消防救灾等场所的,外骨骼需要提供较大的动力,这就导致这类外骨骼大多都有着电机等装置,存在着自身质量大、价格昂贵等缺点。因此,本文设计了一款面向建筑、物流等行业的被动式腰部助力外骨骼,具体内容如下:(1)建立人体搬运动作的静力学模型,通过运用生物力学知识对搬运重物时穿戴外骨骼前后腰部受力进行分析,确定了外骨骼的助力比方程以及搬运时腰部所受力矩方程。(2)对被动式腰部助力外骨骼进行整体设计以及关键部件的设计,关键部件包括:凸轮型线设计,以满足人体腰部运动人机耦合的要求;承重轴设计,以满足弯腰时结构的强度要求。(3)作为一种穿戴式腰部助力装置,轻量化是设计重点,通过对比分析确定适合的外骨骼助力装置壳体材料,并进行有限元仿真,分析其仿真后结构问题后进行结构优化,使其满足强度要求。(4)建立了ADAMS人体模型,通过设置外骨骼和人体模型的约束及接触力,建立人体穿戴外骨骼前后模型。对穿戴外骨骼前后的人体进行动力学仿真,穿戴外骨骼前后人体髋关节力矩明显减小,验证外骨骼设计的可行性。

关键词：被动式外骨骼腰部助力设计优化动力学仿真

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可穿戴搬运助力机器人腰部助力机构的开发

机械工程与技术 2021年第2期10卷 248-256页

作者：陈帅吴海帆刘骁雷毛高徐海明谭信国大连理工大学机械工程学院辽宁大连

开发了一种有腰部助力机构的可穿戴搬运助力机器人。通过一种多轴单自由度腰部助力机构,为搬运助力机器人提供腰部助力,实现了全程与穿戴者腰部很好的贴合。本文对可穿戴机器人的搬运助力效果进行了分析计算。为了验证机器人的原理,制... 详细信息

开发了一种有腰部助力机构的可穿戴搬运助力机器人。通过一种多轴单自由度腰部助力机构,为搬运助力机器人提供腰部助力,实现了全程与穿戴者腰部很好的贴合。本文对可穿戴机器人的搬运助力效果进行了分析计算。为了验证机器人的原理,制作出了试验样机,并进行了不同载荷下的搬运助力实验。实验结果证明了机器人的合理性和有效性。

关键词：气动可穿戴腰部助力搬运机器人

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单兵救援助力外骨骼机器人的设计与特性分析

兵工学报 2022年第9期43卷 2037-2047页

作者：宋纪元朱爱斌屠尧张甲林张育林西安交通大学机器人与智能系统研究所陕西西安710049 陕西省智能机器人重点实验室陕西西安710049 现代设计及转子轴承系统教育部重点实验室陕西西安710049 空军装备部驻西安地区军事代表局陕西西安710082

针对单兵救援人员对装甲车内伤员实施救助时体力不足的问题,开展外骨骼辅助救援者的设计与特性分析研究。通过对人体弯腰提升过程运动机理的研究,开展救援外骨骼的机构设计、运动学与动力学分析。基于分散负载的理念,融合外骨骼方案和... 详细信息

针对单兵救援人员对装甲车内伤员实施救助时体力不足的问题,开展外骨骼辅助救援者的设计与特性分析研究。通过对人体弯腰提升过程运动机理的研究,开展救援外骨骼的机构设计、运动学与动力学分析。基于分散负载的理念,融合外骨骼方案和外肢体方案,提出一种辅助人体提升重物的并联助力机构,设计一种单兵救援提升助力系统,完成救援外骨骼的样机研制并通过实验验证了样机运动的有效性。研究结果表明:救援外骨骼机器人能够实现救援者提升过程的运动需求,并能够实现分散救援者负载、提高救援效率的目标。

关键词：机器人助力外骨骼外肢体单兵救援腰部助力

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上肢助力外骨骼设计与研究

上肢助力外骨骼设计与研究

作者：吴冀辽宁工程技术大学

学位级别：硕士

很多工厂的搬运工人在搬运重物的过程中缺少适当的劳动保护,长此以往很可能会患上肌肉骨骼疾病,例如下背痛和手臂肌肉疼痛。本文主要研究搬运工人的腰部和手部助力外骨骼,该外骨骼能够在工人搬运重物时减小腰部和手臂的受力,降低患上肌... 详细信息

很多工厂的搬运工人在搬运重物的过程中缺少适当的劳动保护,长此以往很可能会患上肌肉骨骼疾病,例如下背痛和手臂肌肉疼痛。本文主要研究搬运工人的腰部和手部助力外骨骼,该外骨骼能够在工人搬运重物时减小腰部和手臂的受力,降低患上肌肉骨骼疾病的几率。论文主要工作内容如下:研究人体手臂和腰椎的运动机理和自由度,得到运动简图模型,设计一套腰部助力和手部助力相结合的上肢助力外骨骼;背部的脊柱外骨骼采用弹性元件助力,在弯腰时蓄能,直立时释放能量;手臂采用电机绳索助力,通过电机绳索拉动外骨骼小臂。对人体的腰部和手臂分别建立生物力学模型,分析上肢外骨骼对人体的助力大小;对上肢外骨骼的手臂和肩关节进行静力学分析,检验结构设计的安全性和可靠性。通过D-H法构建上肢外骨骼的运动学模型,计算运动学正逆解;基于蒙特卡洛算法,通过Matlab求解外骨骼上肢工作空间云图;借助ADAMS对外骨骼上肢的搬运任务进行运动学分析。建立上肢外骨骼动力学模型,通过拉格朗日法构建上肢外骨骼动力学方程,求解上肢外骨骼肩肘关节力矩表达式;借助ADAMS对上肢外骨骼的搬运任务进行动力学分析,比较有助力和无助力两种情况下,肩肘关节力矩的变化曲线;搭建局部试验平台,验证电机绳索所提供的拉力大小和背部弹性元件的力矩大小,并通过心率检测证明外骨骼的助力效果。该论文有图69幅,表7个,参考文献50篇。

关键词：机械外骨骼可穿戴腰部助力手臂助力运动学分析动力学分析

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负重爬楼助力装置的研究与开发

负重爬楼助力装置的研究与开发

作者：刘腾云天津科技大学

学位级别：硕士

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... 详细信息

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。

关键词：机械外骨骼腰部助力膝关节助力仿真分析

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柔性外骨骼机器人技术研究

机电工程技术 2021年第2期50卷 127-129,148页

作者：吴嘉鑫韩亚丽柯泽阳朱熹微石微微孙文泽吴枫南京工程学院自动化学院南京211167

设计一种用于老年人日常生活腰部助力的外骨骼机器人,该可穿戴式腰部助力机器人利用气动肌肉实现轻量化,穿戴舒适同时柔性助力。本着服务老年人的目的,这套机构采用了柔性外骨骼的设计结构,可以给使用者动作进行时提供腰部所需助力,借... 详细信息

设计一种用于老年人日常生活腰部助力的外骨骼机器人,该可穿戴式腰部助力机器人利用气动肌肉实现轻量化,穿戴舒适同时柔性助力。本着服务老年人的目的,这套机构采用了柔性外骨骼的设计结构,可以给使用者动作进行时提供腰部所需助力,借助气动肌肉进行身体和腰部需要的地方助力。进行了外骨骼的柔顺控制研究和柔性可穿戴式机构设计,实现老年人的躺到坐、坐到直立等运动。该机构主要是提供助力,从而达到预期的结果,可以缓解日益严重的老龄化带来的日常生活问题。

关键词：可穿戴式气动肌肉柔性腰部助力