负重型助力外骨骼液压动力单元的优化设计

摘要

负重型外骨骼助力系统，是一种新概念单兵作战装备，它是以人为控制主体，机器为力量主体，高度人机耦合的复杂力量随动系统。在重载携行状态下，在较复杂地形环境中，它可支持单兵以正常速度行军和完成基本战术动作。外骨骼研究的目的就是使穿戴者借助机器来提高人体的负载能力，运动能力，助力外骨骼的动力系统提供主要助力，液压动力系统是负重外骨骼完成人机协同运动和实现动态助力的力量源泉，性能高低直接决定了外骨骼机器人的负重能力、续航能力、整机自重等关键技术指标。随着国内逐年对外骨骼研究的重视，负重外骨骼技术水平获得了飞速发展，部分外骨骼样机，包括本团队开发的样机，其液压动力系统在输出驱动能力上已基本能满足负重外骨骼负重运动的需求。但由于一些元器件的限制，以及液压系统本身的问题，液压动力系统体积重量严重超标，外骨骼液压系统的发热严重，系统能耗高，压力建立过程延时性高，压力建立时间长，散热不良等问题依然突出。目前与国外先进技术水平仍有较大差距，需要在已有研究工作基础上，对负重外骨骼的液压动力系统进行优化设计和性能强化，以解决不足。论文具体工作如下： （1）根据生物学和人体骨骼学，分析助力外骨骼系统与人体外骨骼系统的功能。研究人体特征运动动作，选取直立行走工况，对直立行走进行特征分析。拟合规律曲线，得到直立运动特征曲线。 （2）根据人体步态运动特征和外骨骼的机械系统，研究外骨骼的步态特征，建立外骨骼膝关节几何模型，优化设计液压缸重要参数；对人机耦合状态下外骨骼直立行走的支撑相和摆动相进行分析，并根据支撑相和摆动相的关节运动角度变化趋势和特点，分析液压缸工作运动状态，优化设计外骨骼容积调速液压系统。 （3）基于 AMESim 软件平台搭建外骨骼容积调速系统的仿真系统，根据初步仿真结果设计容积调速系统和重力负载模拟试验台。进行了容积调速系统在不同负载工况下的实验，目的是从原理和效果上模拟外骨骼负重下的液压动力系统。根据实验结果，对液压系统进行优化，该液压系统在应用到外骨骼时候，根据优化改进设计，使液压系统的压力，液压缸运动速度，系统压力建立响应时间等达到外骨骼研究的要求。 通过本文的研究，对外骨骼容积调速液压动力单元进行了仿真，实验和优化，为该系统应用于外骨骼工况下的技术提供了有效的参考，具有实际应用价值。

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