人类负重外骨骼论文解读

1、瑚t工工芳*毎人类负重外骨骼系统的液压系统设计名级口号姓班学提交日期 2013年10月24日人类负重外骨骼系统的液压系统设计21世纪是一个机械化的时代，因为现代机器人所具有的机械动力装置使得机器人可以轻易地完成很多艰苦的任务，比如举起、搬运沉重的负载等，所以现代机器人控制技术有了 长足的发展，但还远达不到人的智力水平，包括决策能力和对环境的感知能力。与此同时,人所能完成的任务不受人的智能的人类所具有的智能是任何生物和机械装置所无法比拟的, 约束，而仅受人的体能的限制。 因此，将人的智能与机器人所具有的强大的机械能量结合起 来，综合为一个系统，将会带来前所未有的变化，这便是人类负重外骨骼。人类负

2、重外骨骼将人的灵活性、机动性、智能型与机器的强壮性完美地结合在一起。在军用方面，它不仅能提高士兵的承载能力，还能提高士兵的行军速度，使士兵能够负重长途建筑施工、作为跋涉于车辆无法通过的地方；在民用方面它也具有广阔的前景：抗震救灾、下肢失调者的训练器及辅助行走装置等。因此，研制人类负重外骨骼具有非常重要的现实意义。人类负重外骨骼的原理就是用高功率密度的驱动装置,非刚性连接套在人体外，辅助人就是如何研制一个体积类肢体运动。不过，在研制人类负重外骨骼的途中出现了一个瓶颈, 小但功能强大的传动装置，一套灵敏但是又不能太灵敏的动作控制系统。外骨骼必须成为士兵的机械影子，必须能及时地模仿他的每个动作，即使

3、是毫秒的迟疑也会造成负担，让士兵感觉像行走在水中一样费力。因此它的感应器必须能够以每秒几千次的速度读懂施加在它全身的每个轻微动作，它的微处理器必须足够强大， 能把这些数据及时转换成指令传送给机械四肢， 使它们与内部穿着者的行动协调一致，并且这过程中操作者的各种没必要的小动作以及动作过程中的不配合情况,还要由电脑 翻译”后以最有效的动作平滑地反应到机体上。因此，人类负重外骨骼系统的液压系统设计变显得尤为重要。人类负重外骨骼系统的液压系统由液压泵、液压缸、电磁转换阀、油箱、油管等元件组成。液压泵为动力元件， 它向整个液压系统提供动力；液压缸为执行元件,其作用是将液压油的压力能转化为机械能， 驱动外

4、骨骼各肢节绕关节轴转动；电磁转化阀为控制元件，它根据人体运动状态的转化来控制和调节液压油的流量和方向,从而驱使外骨骼与操作者的运动协调一致；油箱、油管等是辅助元件，其作用是保证人类负重外骨骼的整个液压系统安全可靠地工作。液压系统框图如下，采用泵控的方式，结合电磁转换阀进行液压驱动。MotorForceSensorT Accumulator CheckI valveFilter2尹-IpPunipReservoir图4J液压力伺服系统框图(1)液压泵的参数设计2QC上图是将60KG负载重量和自重转化成 60KG人后膝关节和扭矩的变化。然后通过几个常用液压计算公式，来推导液压元件的参数。PsT m

5、ax pus hR minAl(1)A I 日 des.(2)PsQs / 612(3)其中Ps为输出扭矩，Qs为泵的流量， W,为电机功率，Tmax push为关节的最大扭矩,Rmax和Rmin分别为机腿的最大力臂和最小力臂，A为液压缸的面积。上图是液压缸的结构示意图。 液压缸需要很快的响应速度， 较小的尺寸，同时输出力要 很大，需要很高的强度。液压缸缸体长度Lbore和活塞杆长度Lrod这是根据机械腿的尺寸和运动范围决定的。液压缸的最大行程 Ll是机械腿膝关节在0时，最小行程Ls是膝关节在90时，一般参考如下两个约束:LrodLboreI + II-rod fore缸桶内径D和活塞杆直径d

6、通常，根据液压缸工作压力不同，缸桶内径D和活塞杆直径d的关系如下表所示:表4.1活塞杆直径与缸筒内径的关系Table 4.1 The rejattonship of piston rod and cylinder bore diameter液压缸工作压力p/AfPa7推荐活塞杆直径d(0.5 - 055)(0.6 - 0J)Z0 7D桶壁厚度&庄 P max D根据强度校核公式：0 = 得桶壁厚度602 P其中bp为缸桶材料的许用应力。(3)油泵的参数设计由于要求外骨骼的自重小，输出功率大，所以需要选择体积小，输出功率大的油泵。油 泵在液压系统中起着十分重要的作用，它把电机输出的机械能转换成机

7、油的液压能。确定泵的额定压力和额定流量通过查找手册，一般油泵的工作压力取Pb沢1.3-i.5)pmax，工作流量取Qb (1.1-1.3)Qma 乂由于液压油路中采用泵阀混合控制，对油泵的要求较高，故取R 1.5Pmax， Qb 知3Qmax。确定驱动该泵的电机功率P根据经验公式卩=卫鸟得电机功率P。612(4)转换阀的选择转换阀作为控制元件，其性能对于液压系统很重要。人类负重外骨骼的关节液压控制要求具有高响应速度、 工作可靠稳定、能适应恶劣环境的特点。因此，在转换阀选型是必须要 考虑以下几点:动作灵活，作用可靠，工作时冲击和振动小;油流过时压力损失小;密封性能好;结构紧凑，安装、调试、使用、

8、维护方便，通用性好;具有良好的电液接口;通过综合考虑，选择高速电磁阀，是一种比较理想的接口元件。11卩丸3b ttin： :r缆Ml 3锻鞭：4阀林！ 5*网油瑋Nb Em帖再梢: 九供涌対翔aniiu图4.6高速开关阀的原理图（左）和结构示意阳（右）以上是我关于人类负重外骨骼能想到的方面，再结合了网上的资料，写出了该文章。读书的好处1、行万里路，读万卷书2、书山有路勤为径，学海无涯苦作舟。3、读书破万卷，下笔如有神20、读书给人以快乐、给人以光彩、给人以才干培根4、我所学到的任何有价值的知识都是由自学中得来的达尔文5、少壮不努力，老大徒悲伤。6、黑发不知勤学早，白首方悔读书迟颜真卿7、宝剑锋从磨砺出，梅花香自苦寒来。8、读书要三到：心到、眼到、口到9、玉不琢、不成器，人不学、不知义10、一日无书，百事荒废。一一陈寿 11、书是人类进步的阶梯。12、一日不读口生，一日不写手生13、我扑在书上，就像饥饿的人扑在面包上。咼尔基14、书到用时方恨少、事