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柔性下肢外骨骼

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更新時間：2019-05-29
發布人：rongxinglu

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軍用外骨骼系統是一種穿戴在單兵身體上的伴隨式智能裝備系統通過同步“跟隨”人體運動，輔助單兵承重助力及負重機動，有效提升單兵的搬移托舉能力、承載攜行能力和快速機動能力，在后裝物資裝填搬移保障、物資伴隨支援保障、邊防巡邏保障等領域具有廣泛的軍事需求。
國內軍用外骨骼系統的發展尚處于研究試驗階段，其技術難點在于外骨骼對于人體運動的順應性即外骨骼機器人的柔性。因此，本論文對柔性軍用下肢外骨骼機器人的結構設計及優化，完成了以下工作：
（1）人體運動學的分析。為使外骨骼機器人與單兵的協調性達到最優，外骨骼機器人的設計尺寸應盡量貼合人體尺寸，其運動軌跡應盡量符合人體正常運動。
（2）軍用柔性下肢外骨骼各關節的結構設計。下肢外骨骼系統設計包含：髖關節，膝關節，踝關節，關節連接及驅動部分。
（3）軍用柔性下肢外骨骼關鍵零部件的靜力學分析。基于ANSYS Workbench靜力學模塊，分析了踝關節關鍵零部件的靜變形和靜應力，分析應力分布特點，驗證機械結構的靜強度與剛度。軍用外骨骼系統是一種穿戴在單兵身體上的伴隨式智能裝備系統通過同步“跟隨”人體運動，輔助單兵承重助力及負重機動，有效提升單兵的搬移托舉能力、承載攜行能力和快速機動能力，在后裝物資裝填搬移保障、物資伴隨支援保障、邊防巡邏保障等領域具有廣泛的軍事需求。
國內軍用外骨骼系統的發展尚處于研究試驗階段，其技術難點在于外骨骼對于人體運動的順應性即外骨骼機器人的柔性。因此，本論文對柔性軍用下肢外骨骼機器人的結構設計及優化，完成了以下工作：
（1）人體運動學的分析。為使外骨骼機器人與單兵的協調性達到最優，外骨骼機器人的設計尺寸應盡量貼合人體尺寸，其運動軌跡應盡量符合人體正常運動。
（2）軍用柔性下肢外骨骼各關節的結構設計。下肢外骨骼系統設計包含：髖關節，膝關節，踝關節，關節連接及驅動部分。
（3）軍用柔性下肢外骨骼關鍵零部件的靜力學分析。基于ANSYS Workbench靜力學模塊，分析了踝關節關鍵零部件的靜變形和靜應力，分析應力分布特點，驗證機械結構的靜強度與剛度。

關鍵詞：外骨骼；柔性；軍用；結構設計

ABSTRACT
Military exoskeleton system (EXO) is a kind of accompanying intelligent equipment system which is worn on individual soldier's body. Through synchronous following human movement, assisting individual soldier's load-bearing assistance and load-bearing mobility, it can effectively enhance individual soldier's carrying capacity and rapid mobility. EXO has a wide range of military needs in the fields of backloading and moving support, material accompanying, border patrols support and so on.
The development of EXO in China is still in the stage of research and experiment. The technical difficulty lies in the flexibility of exoskeleton to human motion, that is, the flexibility of exoskeleton robot. Therefore, the thesis has completed structure design and optimization of EXO. The main work is summarized as follows:
Firstly, the analysis of Human Kinematics. In order to optimize the coordination between the EXO and the soldier, the design size of the EXO should be as close as possible to the human body size, and its trajectory should be as close as possible to the normal human motion.
Secondly, structural design of External Skeleton Joints of Military Flexible Lower Limb exoskeleton robot (FLLX). The design of FLLX includes hip joint, knee joint, ankle joint, joint connection and driving part.
Thirdly, the statics analysis of the key components of FLLX. ANSYS Workbench statics analysis module is used to analyze the static deformation and stress of key parts of External Skeleton ankle joint. So, stress distributions were obtained and analyzed. The static strength and stiffness of mechanical structure are verified.
Key words: Exoskeleton; Flexible; Military; Structural design;

目錄
第1章緒論 1
1.1研究背景及意義 1
1.2國內外研究現狀 1
1.2.1 外骨骼機器人 1
1.2.2 驅動方式 6
1.3本論文的主要內容 7
第2章下肢外骨骼機器人總體方案 9
2.1人體運動學分析 9
2.1.1人體基本面與軸 9
2.1.2人體下肢運動學分析 10
2.2軍用柔性下肢外骨骼機器人總體方案 13
2.2.1 設計原則與要求 13
2.2.2 尺寸設計及外觀設計方案 14
2.2.3 驅動與傳動方案 15
2.3 本章小結 16
第3章下肢外骨骼機器人結構設計 17
3.1髖關節 17
3.2膝關節 20
3.2.1 主動自由度設計 20
3.2.2 繩驅結構設計 21
3.3踝關節 21
3.4 非關節處 24
3.5 本章小結 26
第4章下肢外骨骼機器人結構校核 27
4.1重要軸、連接件的載荷分布 27
4.1.1 髖關節處 27
4.1.2 踝關節處 28
4.2 軸的校核 29
4.2.1 軸的強度校核 29
4.2.2 軸的剛度校核 30
4.3關鍵非規則零部件靜力學分析 32
4.4本章小結 34
第5章總結與展望 35
5.1總結 35
5.2展望 36
參考文獻 37
致謝 39

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