针对煤矿井下人工作业劳动强度大的状况,设计出一种用于辅助人体搬运和操作气动风镐等重型机具的外骨骼助力机器人。介绍了该外骨骼各部位的结构设计与功能;利用ADAMS软件对该外骨骼的人机穿戴模型进行了行走步态的运动学与动力学仿真,以验证其结构设计的合理性,重点对人体的脚底压力和背部受力进行分析,讨论外骨骼的助力效果和穿戴舒适性因素。进行了实物样机穿戴试验,对外骨骼的助力效果和穿戴舒适性做出了量化评估,验证了仿真结果的正确性。结果表明穿戴该外骨骼机器人相比纯人力作业可以降低下肢脚底19%的负重,并减轻背部肌肉60%的劳动强度,缓解肌肉疲劳。

为定量评估助力外骨骼综合效能,通过咨询专家和归纳统计,分析外骨骼整体性能,选取定义相关指标,建立多级外骨骼效能评估指标体系。采用层次分析法确定各指标的权重,基于灰色综合评价方法建立白化权函数,构建效能评估模型。最后以某型助力外骨骼为例,充分利用已有指标判断信息,得到总体效能评估得分,证明该模型具有一定的科学性和可行性,并可应用于其他不同方案的助力外骨骼效能评估中,为类似助力外骨骼的设计研发提供理论参考。

为了研究负重型外骨骼液压动力单元温升及噪声过大的问题,利用ANSYS Fluent软件对负重型外骨骼液压阀块内部流道主要组成部分Z型流道和交叉流道进行计算流体动力学仿真,分别设计了5组不同尺寸的仿真试验,分析不同流道尺寸下流体速度稳定性与压力损失变化情况.仿真试验表明,对于流道直径为5 mm的外骨骼动力单元液压阀块交叉流道压力损失随着进出口流道偏心距的增大而增大,流体速度在偏心距为1.25 mm时稳定性最好;Z型流道压力损失在进出口流道之间的距离为17 mm时达到最小,流体速度随着该距离的增大其稳定性上升.优化过后的样机试验表明,液压阀块最大温度下降了3.3℃,最大噪声下降了7.6 dB.

助力外骨骼是以人为控制主体, 机械结构为动力主体, 人机高度耦合的复杂力随动系统.为了 实现助力外骨骼长时间稳定可靠运行的目的, 必须解决其动力单元的部分问题.基于外骨骼系统整体结构, 着重于助力外骨骼的液压动力单元部分的研究.介绍负重外骨骼机器人的工作原理及其液压系统的组成, 对人体步态进行分析, 研究液压动力单元并进行样机实验.结果表明, 负重型下肢外骨骼系统采用阀控液压 系统, 能够满足在负载60 kg下完成人类基本的下肢运动动作, 并且具有较好的人机耦合性.