辅助搬运外骨骼机器人的机械结构设计

论文总字数：14941字

摘 要

国内外现有人体上肢、人体下肢和人体背部支架的制造价格很贵，并不适合我国普通工人的实际需求，因此设计一款制造价格低廉的人体上肢、人体下肢和人体背部支架具有重要意义。本文设计了一款结构比较简单，造价相对较低的人体上肢、人体下肢和人体背部支架，对人体上肢、人体下肢和人体背部支架进行了结构设计。首先，在综合分析现有的人体上肢、人体下肢和人体背部支架的基础上，设计一种结构相对简单，适用于普通工人的人体上肢、人体下肢和人体背部支架。其次，分别对所设计的人体上肢、人体下肢和人体背部支架结构的运动进行分析。最后，人体身高，手臂长度，大腿长度和脚长度进行分析，从而设计出合理的外骨骼关节和机器人的整体长度和高度。

关键词：人体上肢；人体下肢；人体背部支架；结构设计。

The mechanical structure design of the robot assisting in handling exoskeleton

Abstract

The existing human upper limb, human lower limb and human back brace at home and abroad are expensive to manufacture and not suitable for the actual needs of ordinary workers in China, so it is important to design a human upper limb, human lower limb and human back brace with low manufacturing cost. In this paper, we designed a simple and relatively low-cost human upper limb, human lower limb and human back brace. Firstly, based on the comprehensive analysis of the existing human upper limb, human lower limb and human back brace, a human upper limb, human lower limb and human back brace with relatively simple structure and suitable for general workers is designed. Secondly, the movements of the designed human upper limb, human lower limb and human back brace structures are analyzed respectively. Finally, the human body is analyzed, the structure of the human body, and the human body height, arm length, thigh length and foot length are analyzed to design a reasonable exoskeleton joint and the overall length and height of the robot.

Keywords: human upper extremity; human lower extremity; human back brace; structural design.

目 录

摘 要 Ⅰ

Abstract Ⅱ

第一章 引 言 1

1.1 课题的研究背景 1

1.2 国内外研究现状 1

第二章 辅助搬运外骨骼机器人的总体结构设计 4

2.1人体结构基本特征 4

2.2人体骨骼关节分析 4

2.3 人体的基本尺寸 6

2.4 辅助搬运外骨骼机器人设计原则 8

2.5 辅助搬运外骨骼机器人的总体设计 9

2.5.1 总体设计方案 9

2.5.2 人体上肢结构设计 10

2.5.3 人体下肢结构设计 10

2.5.4 人体背部支架结构设计 11

第三章 辅助搬运外骨骼机器人零部件的设计 13

3.1 辅助搬运外骨骼机器人关键部件的设计 13

3.2 人体上肢连接件结构的设计 13

3.3 人体上肢上部连杆与人体背部支架连接件结构的设计 13

3.4 人体背部支架与人体下肢上部连杆连接件结构的设计 14

3.5 人体下肢上部连杆与人体下肢下部连杆结构的设计 14

第四章 辅助搬运外骨骼机器人的运动学建模 16

4.1 辅助搬运外骨骼机器人下肢的运动学建模 16

4.1.1 连杆参数确定及坐标系的建立 16

4.1.2 运动学方程建立及正运动学解 16

4.1.3 运动学方程建立及逆运动学解 17

4.2 辅助搬运外骨骼机器人上肢运动学建模 18

4.2.1 连杆参数确定及坐标系的建立 18

4.2.2 运动学方程建立及正运动学解 19

4.2.3 运动学方程建立及逆运动学解 20

第五章 辅助搬运外骨骼机器人有限元优化分析 22

5.1 有限元分析及其基本原理 22

5.2 辅助搬运外骨骼机器人有限元模型的建立 22

5.3 辅助搬运外骨骼机器人上肢有限元优化分析 22

5.4 外骨骼机器人下肢有限元分析 23

第六章 全文总结与研究展望 25

6.1 全文总结 25

6.2 研究展望 25

致 谢 26

参考文献(References) 27

附 录 28

第一章 引 言

• 1. 课题的研究背景

随着中国经济的快速发展和人口老龄化的加速增长，越来越多的人没有合适的体力工作。许多长期从事体力劳动的工人，由于体力工作时间过长和在工作过程中缺乏保护，在工作过程中受到了身体伤害。在军事行动，救灾工作等复杂环境中，运送一个人的唯一方法往往是依靠人的力量。因此，合适的外骨骼机器人可以以更灵活的方式适合穿戴者的工作环境，在更复杂的工作环境中为穿戴者提供力量帮助，并保护穿戴者在工作过程中免受可能的物理伤害。因此，鉴于上述背景，必须设计一种适合普通工人的需要并能够在携带物体时为穿戴者提供一定的力量帮助，并在工作过程中保护身体免受伤害的辅助搬运外骨骼机器人。

• 1. 国内外研究现状

国内外人体上肢、人体下肢和人体背部支架的研究现状：通过比较国内外对人体上肢、人体下肢和人体背部支架的研究,为人体上肢、人体下肢和人体背部支架的机械结构设计有了一定的基础。

作为国防高级研究计划局（DARPA）建立的外骨骼研究项目的一部分，外骨骼被设计为液压操作。SARCOS公司的三个外骨骼模型被设计成全自由度，即一个手臂有7个自由度，一个腿有7个自由度。在上肢驱动选项方面，XOS系统在一只手臂上提供了5个主动自由度，这使得XOS能够进行复杂的上肢运动，如打破木板、抓握哑铃和推举^[1]。

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