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。

稳定行走是外骨骼机器人研究的一个关键问题,也是实现其他功能的根本前提。基于人体步态研究和双足机器人ZMP(零力矩点)理论,推导出ZMP的计算公式;通过Adams软件仿真和外骨骼穿戴实验得出平地行走、越障两个特征动作下的人体和外骨骼人-机系统的ZMP轨迹;分别对比同一动作下的人体和外骨骼人-机系统的稳定裕度研究外骨骼人-机系统的稳定性。仿真和实验结果表明外骨骼人-机系统稳定裕度较人体差,但完全可以满足平地行走、越障两个动作的稳定性要求。