电机驱动的人体下肢外骨骼设计与分析(2)
3.1 外骨骼膝关节设计 24
3.2 髋关节外骨骼设计 25
3.3 踝关节外骨骼设计 26
3.4 背部托班结构设计 28
3.5 调节装置设计 29
3.6 本章小结 30
4 仿真分析 31
5 外骨骼设计计算 35
5.1 电机选型 35
5.2 静力载荷分析 35
5.3 小腿腿杆强度分析 36
5.4 外骨骼关节轴的强度校核 42
5.5 本章小结 43
结 论 44
致 谢 45
参考文献46
1 引言
1.1 本课题研究背景
在现在的科技化的时代浪潮下，随着科技的不断发展，在现代化战争中，人们都希望自己能够拥有更加强大的下肢力量在生活中更加方便容易；先天或后天残疾、行走不便的人们产生了通过设计制造一些外部设备让这些人重新拥有自主行走的能力或者能够增大行走负重能力；在人口老龄化的浪潮下，老年人也同样需要下肢力量的增强来方便自己的生活；科学技术的发展，使现代化的单兵装备越来越复杂，这不可避免地要求士兵携带越来越重的装备。士兵的负担也会因此而大大的增加，士兵的体能的消耗会因为这些负载而大大增加，单凭士兵自己携带全部的装备，必会极大的影响士兵的作战能力。因此，长久以来，大量精力被各国投放在研究在单兵背负机构上，希望能够减少士兵的体能消耗，从而提高士兵的作战持久能力，更符合人体力学原理的机械装置的成功研制，人机一体化的下肢外骨骼通过动力源装置为士兵提供外动力，这样就能够大大减轻承载过重的士兵负担。这些装备的成功装备将极大幅度提升士兵的作战力。下肢外骨骼不仅适用于士兵户外作战，也可以为救灾人员、森林防火战士以及其他急救人员携带重要负载，如食品、救援设备、急救用品、通讯设备和武器，而使用者不用负担相关的体力劳动。通过增加使用者携带设备的数量，大幅提升使用者的各方面能力，提高其综合能力，达成设计目的[1]。我国西北西南等边防地区地形复杂，大量包含着高原、山地、森林、沟壑等难以运输的路面，在这些地形上，车辆很难再上面行进，一旦战争爆发，只能依靠人力来进行物资的运送。而负重超大载荷远距离行军大大削弱了战士们的作战能力，而且如若遇到电力供应不充足的情况下，很需要一种可使战士背负较重的载荷时也能觉得很轻松的机构，从而实现士兵的各项作战任务。传统的设备能够实现上述功能，但是却使大部分负载重量作用在士兵的肩膀上，其使载荷与人体接触的部位软化，将一些载荷转移到与身体连接的其他部位承担，例如硬化轻质架等等[ ]。这限制了士兵所能携带负载的最大重量，同时人的骨骼长期承受大负载将会导致深远影响和严重危害。这种适用于人体穿戴的腿部支撑机构也可称为腿部外骨骼，来承担人体腰腿的大部分受力，将其传递至地面，使得士兵能够轻松穿越复杂地形。
人体下肢外骨骼就是一种可以去帮助人们提升下肢运动能力，帮助人们行走的装置，能够在人们处于负重荷或者长时间行走的情况下，减少体能损耗，帮助相关人士达到艰苦条件下行走的目的；同时，他也对对那些运动行为能力存在不足的的人提供治疗和帮助等功效。其优势在于很好的综合了支撑、防护、运动三项功能[2]。该项目的研究包含涉及多个领域，结合了人体工程、机械结构设计技术和控制等，需要设计一个单侧具有7个自由度的步行助力下肢外骨骼装置。通过分析人体下肢骨骼步行运动规律与外骨骼设计要求，进行外骨骼机构的构型设计与运动学方面的分析，最后进行外骨骼机构机械结构设计和三文建模，以及相关的机构仿真分析、强度校核。