含储能元件辅助负重人体下肢外骨骼的机构设计及力学性能研究

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1、分类号：TH112密级：公开UDC：621编号：河北工业大学硕士学位论文含储能元件辅助负重人体下肢外骨骼的机构设计及力学性能研究论文作者：李天宇学生类别：全日制学科门类：工学硕士学科专业：机械工程指导教师：张建军职称：教授DissertationSubmittedtoHebeiUniversityofTechnologyforTheMasterDegreeofMechanicalEngineeringSTRUCTUREDESIGNANDMECHANICANALYSISOFALOWEREXTREMITYLOAD-CARRYINGEXOSK

2、ELETONCONTAININGENERGYSTORAGEDEVICEbyLiTianyuSupervisor:Prof.ZhangJianjunFebruary2017原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文不包含任何他人或集体已经发表的作品内容，也不包含本人为获得其他学位而使用过的材料。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人或集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。学位论文作者签名：日期：关于学位论文版权使用授

3、权的说明本人完全了解河北工业大学关于收集、保存、使用学位论文的以下规定：学校有权采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供本学位论文全文或者部分内容的阅览服务；学校有权将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流；学校有权向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版。(保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签名：日期：导师签名：日期：摘要辅助人体承重的下肢外骨骼是指可穿戴于人体之上并扩展其下部肢位运动能力，减少人体骨骼负载及关节转矩的外骨骼，但传统下肢外骨骼存在质量大、续航时间短、适应性差的问题

4、，无法在山地、丘陵等复杂地形下使用。本文提出了一种含储能元件辅助负重的闭链人体下肢外骨骼，该外骨骼通过借鉴人体蓄能策略，增设仿生储能元件以提高人体能耗比，并以人体关节为驱动源，实现辅助人体长时间远距离负重行走。首先，根据人体特性提出了三种下肢外骨骼的初选方案，通过ADAMS对各方案的仿真分析确定了最终的运动方案。该方案确定了由主体框架及储能元件组成的机械结构，并对下肢外骨骼的运动方案进行了结构设计。其次，用封闭矢量法建立该下肢外骨骼的运动学模型，对人体和下肢外骨骼进行静力学分析，并用MATLAB软件对下肢外骨骼静力学求解。进而结合人体行

5、走特性，设计带有预紧力的变刚度弹簧为仿生储能元件，同时以一个步态周期内，人体腿部各关节总有效转矩最小为目标，采用逐步搜索法确定最优弹簧刚度。最后，通过ADAMS软件动力学仿真验证下肢外骨骼数学模型的正确性，并根据下肢外骨骼总体设计加工制造第一代原理样机，达到20kg负载减重95%、减少人体关节总有效转矩13.4%；40kg负载减重80%，减少人体关节总有效转矩11.9%的效果。通过人体穿戴实验得出该外骨骼可大幅提升人体能源利用率，改善了传统下肢外骨骼续航时间短、环境适应性差、承载能力小、动态性能差、笨重、能耗大的问题。关键词：下肢，外骨

6、骼，储能，负载，静力学分析，闭链IABSTRACTLowerextremityload-carryingexoskeletoncanmatchhumanbody,expandlowerlimbmotorability,reduceloadandtorqueofhuman.Becauseheavy,shortusingtimeandbadadaptability,thetraditionalexoskeletonscannotbeusedinthemountains,hillsandotherdifficultterrain.Thispa

7、perputtingforwardakindofclosed-chainlowerextremityload-carryingexoskeletonwithenergystorageelement.Besides,accordingtotheenergystoragestrategy,energystorageelementwasaddedtoimprovinghumanwalkingeffect.Withoutexternaldrive,exoskeletoncanassistpeoplecatchingheavythingsandw

8、alkinglongdistance.Firstly,accordingtothebodyfitnessputforwardthreeprimarylowerextremityexoskeletonmode