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一种无源髋关节助力外骨骼设计与人机工程研究

王艺澜 涂细凯 徐一鸣 秦榕

王艺澜, 涂细凯, 徐一鸣, 秦榕. 一种无源髋关节助力外骨骼设计与人机工程研究[J]. 机械科学与技术, 2022, 41(5): 711-720. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200378
引用本文: 王艺澜, 涂细凯, 徐一鸣, 秦榕. 一种无源髋关节助力外骨骼设计与人机工程研究[J]. 机械科学与技术, 2022, 41(5): 711-720. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200378
WANG Yilan, TU Xikai, XU Yiming, QIN Rong. Ergonomics Study and Design of Passive Hip Joint Power-assisted Exoskeleton[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2022, 41(5): 711-720. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200378
Citation: WANG Yilan, TU Xikai, XU Yiming, QIN Rong. Ergonomics Study and Design of Passive Hip Joint Power-assisted Exoskeleton[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2022, 41(5): 711-720. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200378

一种无源髋关节助力外骨骼设计与人机工程研究

doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200378
基金项目: 

湖北省自然科学基金项目 2018CFB276

详细信息
    作者简介:

    王艺澜(1997-), 硕士研究生, 研究方向为外骨骼造型与结构设计, 1415097184@qq.com

    通讯作者:

    涂细凯, 博士, 研究生导师, tuxikai@gmail.com

  • 中图分类号: TP242.6

Ergonomics Study and Design of Passive Hip Joint Power-assisted Exoskeleton

  • 摘要: 本文设计了一种无源髋关节四自由度助力外骨骼, 既帮助搬运人员减少髋关节受力, 又增加髋关节外展/内收的活动范围。首先对搬运姿势进行生物力学分析, 然后提出外骨骼方案, 选择省力材料。再通过ADAMS动力学仿真分析髋关节所受力矩的变化, 验证3种材料的省力程度; 接着静力学分析3种弹性杆材料的强度; 再研究较小工况下装置省力程度; 最后运用CATIA人机工学模块分析髋关节二、四自由度搬运姿势时人体的舒适度。仿真结果表明了本文设计的外骨骼装置有突出的省力效果, 所选材料的省力范围为搬运5~25 kg重物时省力约63%, 同时又有较高的舒适度, 为后续外骨骼研究提供有效方案。
  • 图  1  搬运重物时腰部力学模型

    图  2  外骨骼省力原理图

    图  3  髋关节设计方案模型

    图  4  模拟髋关节设计方案使用情况图

    图  5  外骨骼整体方案模型

    图  6  弹性部件省力工作原理图

    图  7  人体模型尺寸图

    图  8  穿戴外骨骼前后动力学仿真对比

    图  9  未穿戴外骨骼髋关节所受力矩变化

    图  10  穿戴3种不同材料外骨骼后髋关节所受力矩变化

    图  11  轧制铝弹性杆所受应力分布图

    图  12  弹性杆工作时形变位移图

    图  13  穿戴外骨骼前髋关节所受力矩变化

    图  14  穿戴外骨骼后髋关节所受力矩变化

    图  15  进行舒适度分析的6种姿势

    表  1  人体髋关节的运动范围

    髋关节运动形式 运动角度
    伸展/屈曲 65°~-120°
    外展/内收 45°~-30°
    外旋/内旋 60°~-30°
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    表  2  不同材料的圆柱螺旋扭转弹簧的参数

    弹簧材料 弹簧直径/mm 弹簧圈数n 省力程度
    碳素弹簧钢丝C级Ⅱ级 6 23 30%
    琴钢丝G2Ⅱ级 5 16 25%
    弹簧用不锈钢钢丝Ⅱ级 5 20 20%
    琴钢丝G2Ⅱ级 4 20 10%
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    表  3  3种材料的弹性杆参数

    弹性杆
    材料
    许用应力[δ]/MPa 工作时的最大
    应力δmax/MPa
    抗拉强度δb 屈服强度δs
    轧制铝 85 30 2 079.2
    T700碳纤维材料 >3 500 - 2 055.2
    65Mn弹簧钢 825~925 439 2 044.9
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    表  4  不同姿势下二、四自由度的舒适度分数

    姿势 二自由度 四自由度
    向前弯曲 67.4 84.9
    向左前弯曲 65.0 80.2
    向右前弯曲 65.9 79.8
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  • 收稿日期:  2020-04-25
  • 刊出日期:  2022-05-01

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