人体躯干能够根据负载重量而自适应调节前倾角度,有利于人体对下肢外骨骼的控制和人机系统行走稳定性。当超出一定负重时,躯干前倾困难。设计一种新型髋背结构,利用负重重量增加躯干前倾角度。首先分析人体步态,方便仿真时施加约束和驱动等元素;然后将人体简化为七杆模型,用Kane方法建立动力学方程,减少中间变量,提高计算效率;最后通过Adams进行动力学仿真验证。仿真得到的结果表明承载负重之后,髋背机构能使人体躯干前倾更加省力,人机系统重心位置相比于之前接近稳定区域,并且系统重心比之前有所降低,进一步保证系统稳定。

国内外很多机构都将摄氧量作为评价外骨骼机器人性能好坏的指标之一,但各研究结果存在差异。针对摄氧量的测定易受多因素干扰等问题,通过气体分析仪和polar表研究在行走过程中跑步机的坡度、负载重量以及呼吸方式等不同因素对人体运动摄氧量和心率的影响。结果发现当坡度由0°增加到10°时,人体运动的摄氧量增加了121%,心率增加了36%;在相同坡度下,人体运动时的摄氧量和心率随着负载重量的增加近似线性增加;憋气的呼吸方式会引起摄氧量增加25%,心率增加7%。这对外骨骼机器人助力效率的测试具有指导意义。

本文分析了矿山井下人员防护辅助装备,并实地考察了金属矿山井下作业面的情况,有针对性地设计了井下外骨骼设备的防护功能和造型结构,以降低一线工作人员因体能消耗而患上肌肉骨骼疾病的风险。通过建立功率键合图模型,并应用MATLAB软件对液压驱动系统进行仿真,证明了外骨骼液压驱动系统设计的合理性。

机械外骨骼或称动力外骨骼,是一种由钢铁的框架构成并且可让人穿戴的机器装置。外骨骼在民用市场的应用较少,值得挖掘。应用Solidworks软件对新型民用液压电控外骨骼各部分零件进行建模,模块化装配。整体上采用模块化设计可有效降低生产成本和维护成本,对现行外骨骼价格昂贵这一问题进行了改良。针对现行外骨骼功能单一的局限性,新型民用液压电控外骨骼采取开放式的设计,可以外接各种附加设备,实现外骨骼功能的多样化。针对现有外骨骼体型过大穿戴困难这一问题,新型民用液压电控外骨骼开发了可折叠的功能。

为了辅助工人安全轻便地完成搬运任务,针对传统外骨骼在工业领域应用不便的问题,设计了一款新型被动式搬运辅助外骨骼。借助Opensim人体建模软件建立了搬运过程的运动学模型,并对搬运过程进行了力学分析。参照设计要求完成了外骨骼总体设计和弹性蓄能模块设计。根据力学分析求出助力力矩,完成了蓄能模块凸轮、弹簧的参数选择,并对关键零部件进行了力学仿真。仿真结果表明,额定负载下机构能正常运行,不会发生损坏。使用外骨骼样机进行了模拟搬运对比实验,实验过程采集了肌电信号、耗氧量和Borg表数据。结果表明,该款外骨骼对腰部和胸背竖脊肌的助力效果为31.5%和18.7%,显著降低了受试者感知的劳累水平,不会引起耗氧量的显著差异。

随着社会老龄化,外骨骼技术逐渐应用于助老领域,针对存在下肢退化性关节炎老年人行走过程中需减轻自身重量对承重关节压迫的具体需求,分析了减重外骨骼构型特点,并在此基础上设计了一种基于2-UPS机构的减重外骨骼。外骨骼与人体通过骨盆及前脚掌连接构成单闭环,应用闭环矢量法建立外骨骼运动学模型。基于老年人常速行走过程中下肢关节角度变化关系,计算外骨骼主、被动运动副在一个步态周期的速度和加速度。应用拉格朗日法分别对行走过程中双腿支撑相和单腿支撑相进行动力学分析,并通过Adams仿真软件验证了动力学模型的正确性。

为解决人们在负重、长途行走过程中的体力和速度等方面的难题,通过模仿鸵鸟的跟腱部位,沿用助力设备普遍采用的外骨骼形式,设计了一个轻巧简便的机械模型,利用人体行走过程中重力做功而产生的能量,将其储存起来,并将其转化为辅助人体行走或奔跑的动能。通过对模型的机构运动简图的运动分析,阐述其能量存储和释放的过程,从理论上验证其可行性,根据机构模型设计了设备的三维模型,并具体设计各零部件。该模型不需要外界动力源、结构简单紧凑,而且能量的储存和释放程度可调节,为人们负重、长途行走等提供了助力方式,解决了助力设备活动范围有限的问题。

设计了一种可穿戴式的下肢负重外骨骼机器人，它能够为帮助人们助力，助行。介绍了人体各个关节转动需要的自由度。对外骨骼的各个关节进行分析、设计。设计了液压伺服系统，计算了液压缸上需要力的大小。为了验证模型的可行性，将样机穿戴在人体模型上，导入到ADAMS中进行动力学仿真，得到各个关节的转动情况，证明机构的可行性。

在分析人类负重外骨骼结构原理的基础上，针对其系统控制特点，设计了外骨骼结构液压驱动系统方案，并阐明其控制原理，建立了液压驱动系统数学模型。利用MATLAB/Simulink对其关节联动和行走性能进行仿真分析。搭建了实验平台，对其液压伺服控制和髋关节液压缸输出压力进行了实验研究。实验结果与仿真分析基本保持一致，其中髋关节液压缸阶跃响应时间约为480 ms，频率为1 Hz时其正弦跟踪误差最大为4°。实验证明：该液压驱动系统动作稳，响应快，可控性好。

该文结合外骨骼液压系统特点,分析了系统污染物的来源,着重论述了提高系统耐污能力及控制系统污染物的措施,对提高外骨骼的工作可靠性和使用寿命,具有一定指导意义。