可穿戴搬运助力机器人的研究

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可穿戴搬运机器人作为外骨骼机器人的分支,是一种沿人体外侧布置,能给使用者提供额外助力的装置。其在很多领域都有着重要的应用,比如:军事、医疗救护和抗震救灾方面。尤其是在老龄化加剧期间,承担老年卧床病人搬运工作的护工数量无法满足社会需要,而搬运助力机器人能够降低其工作强度,提高工作效率。基于此,本文分析了目前外骨骼搬运机器人的研究现状,并结合前期研究内容,对可穿戴搬运机器人提出了新的设计理念。设计并制作了相应的可穿戴搬运助力机器人试验样机,并对其进行了仿真与实验。论文的主要工作和成果如下:(1)在分析人体上肢运动自由度之后结合人体搬运姿势,设计了可穿戴搬运助力机器人的机械结构方案。主要包括:随遇平衡机械臂、自锁肘关节、井字形滑轨以及可伸缩支撑脚轮。并结合成年人体尺寸以及标准病床高度对机器人进行了参数设计。(2)基于ADAMS对CREO创建的人机一体模型进行了运动学和动力学仿真。运动学仿真有:机械臂肩关节运动角度、重物重心落点与支撑脚轮的位置关系。动力学分析包括:助力气缸在搬运重物过程中的输出力变化、可伸缩脚轮电机扭矩。通过仿真验证了设计方案的合理性,并且给部件选型提供参考。(3)制作了可穿戴搬运助力机器人试验样机,介绍了机器人的气动系统以及控制系统。对机器人的控制策略进行改进并基于Matlab/RTW环境创建了机器人的实时控制系统。最后对关键气动元件以及采集卡、传感器等进行了选型。(4)基于生物力学分析,对机器人进行了人机工程评价。在弯腰搬运时,通过穿戴机器人前后人体背部肌肉与腰骶关节的受力情况对比,证明机器人能够有效减轻人体劳动强度。(5)对可穿戴搬运助力机器人进行了整体实验。首先通过机械臂和支撑脚轮的运动范围测试,验证了设计方案的可行性。然后对不同梯度重量的助力效果实验,结果表明机器人具有较大承重能力,具有将搬运重量转移到地面的功能。
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