外骨骼技术在工程作业中应用和设计要求,这篇外骨骼论文范文为免费优秀学术论文范文,可用于相关写作参考。
外骨骼论文参考文献：
摘 要：上世纪60年代,美国GE公司首先开始研发用于提升使用者力量的外骨骼机器人用于满足不同的工程作业类型和使用场景的需求.随着科技和工业化进程的加速,众多科研机构及高等院校的团队也陆续加入到增力型外骨骼的研发队伍当中,在本文中,笔者就外骨骼技术的优势可以如何弥补传统工程作业方式的缺陷以及此类外骨骼机器人应当具有哪些设计要求进行了探讨.
关键词：外骨骼；工程作业；增力型；设计；研究；效率
由于科技发展和工业化进程的不断加速,机器人产业取得了巨大的成果,但目前机器人技术的发展仍有局限,还无法完全取代人类进行某些特殊类型的作业,而单以人类来完成此类作业则需要耗费大量的人力,而人数越多隐藏的安全隐患就越大,并且这种类型的工作方式通常效率较低.将外骨骼技术引用至工程作业当中可以巧妙的将机械的力量优势和人类的智力相结合,从而达到高效且安全的作业.
1动态工程作业类型外骨骼设计要求分析
1.1站立式操作
长时间站立作业的人群,例如负责汽车零件回收分类的工人,工作时需要搬运类似车门、轮毂等具有一定重量的物品,腰部在拿起和放置这两个动作环节当中要不断的在弯曲和直立两种状态中切换,这对腰部和颈椎、脊椎的劳损度非常高,日积月累便会留下众多相关后遗症,并且工作效率会随着体力的消耗和人体的衰老而降低.
将外骨骼技术引用至此类作业中,可以在很大程度上降低工人弯腰、直立过程中对腰部以及颈椎、脊椎的劳损度.这种类型的外骨骼设计重点部位应该设置于腰部和髋部的结合处,且背部支撑杆必须贴合人体,具有相似的弧度,将髋关节和腰部结合点设计为3个自由度的连接杆,以满足操作者6个方向的运动需求,而动力可以由电机来供应,一个电机提供一个正反向的动力需求,从而在使用者在弯腰以及起身时能有外部力量对身体进行保护以及助力,由于需要助力的部位为腰部及背部,所以此类外骨骼只需满足上半身穿戴即可.工人穿戴之后可以减缓疲劳,提升工作效率,并且能够转移比之前更重的物品.
1.2行走式操作
行走式操作的需求最常见于抢险救灾以及户外工程作业,这类活动一般都有较为复杂的使用场景,在这类场景中交通运输普遍无法满足需求,装备物资的运输多靠人力搬运完成.而在有特定需求时会出现体积较大、质量较重的物品（例如抢险救灾的装备和户外作业的材料等）,这类物品需要多人合作才能转移,若是环境恶劣在转移过程中还会具有一定危险性.这种条件下对于增力型外骨骼的使用需求是极大的,例如美国洛克希德马丁公司为美军研发的HULC单兵作战外骨骼,能让士兵在负重90KG的状态下以时速10公里在任何地形行走一小时.
这种类型的作业要求外骨骼要具有良好的负重能力,而且要便于穿戴和拆卸,续航时间要久以满足长时间的作业需求.由于要实现良好的负重,所以此类外骨骼须设计为整体式,要在站立式外骨骼的设计基础上加入下肢外骨骼,以实现更好的支撑效果,将背负的重力由下肢外骨骼传导至地面,缓解对腿部的压力.助力装置（电机）和外骨骼运动关节当和人体的关节属于同一运动轴心,设置点为髋关节、膝关节以及踝关节,此类主动型外骨骼控制方式当以EMG控制法较为合适.且下肢外骨骼的造型应符合人体下肢曲线,提高和人体的贴合度,使人体接收反馈信息的效率更高,从而及时的做出正确判断,使操作的安全性和灵敏度达到最高.
2静态工程作业类型外骨骼设计要求分析
2.1站立式操作
此类操作形式大多出现于类似造船厂等大型设备生产企业,工人需要长时间托举重型工具来完成作业.例如船厂的打磨工以及需要使用液压钳来拆装设备的工人,由于所使用的工具本身质量重导致托举吃力,而且功率太大不好掌控,所以在操作过程中危险系数很高,稍一疏忽便会酿成不可挽回的恶果.
在设计此类作业所需的外骨骼时可以分析得到如下几点：①此类外骨骼主要用于静态承载重物,操作者长时间站立于同一位置,只有上肢做出特定几个方向动作②由于不需要频繁进行物品的转移以及自身移动,所以不需要能源供应③外骨骼需要很好的将本身作用于人体的压力转移至地面,所以外骨骼的设计需要为整体式④由于各种工具种类繁多,所以需要设置满足大部分工具的通用型接口,并且便于单人更换和操作⑤外骨骼的造型必须贴合人体曲线,从而提高长时间静态工作时的舒适度,避免在同等工作量条件下因为不舒适而造成的过度疲劳及其他危险情况的发生⑥由于从业人员众多,所以外骨骼尺寸要能最大化的调整以满足不同身材类型的使用者.在此类型外骨骼设计中,美国洛克希德马丁公司制造的FORTIS外骨骼是一个很好的案例.
2.2半蹲式操作
例如汽车制造厂的部件装配员,需要长时间的保持半蹲的姿态来将配件放置进装配流水线,日积月累之后对工人的膝盖损耗是很严重的,HONDA设计的Bodyweight Support Exoskeleton很好的解决了这个问题,其设置了一个坐垫作为人的体重对外骨骼施压的缓冲区域,并在外骨骼的膝关节处设置了限位,能让使用者下蹲到一定角度时将大腿和小腿部位的轴卡死,从而产生一个向上的支撑力,能产生让人坐在外骨骼上的感觉,从而降低使用者长时间下蹲对膝盖造成的损伤.而且在膝关节处设置了阻尼电机,能为使用者在下蹲及站立时提供适当速度的外力支持,从而对膝关节进行有效的保护.同时,在设计这类外骨骼时还要考虑到如何满足使用者移动的需求,并且要能方便、快捷的单人穿脱,从而满足高效的使用需求.
3研究展望
依托不断更新的科学技术平台,外骨骼技术发展目前所遇到的技术壁垒将会不断被攻破,例如主动式外骨骼续航时间短这一问题将会被新型便携能源的出现而解决,从而提升主动式外骨骼的使用时间,以满足更多环境恶劣且被动式外骨骼无法胜任的工作需求.而由于生产制造技术的不断提高,新材料和新的加工工艺的出现也会使得外骨骼生产成本降低,逐渐使外骨骼普及到各个行业的工作甚至人们的日常生活当中,使这项技术能够更好的服务于全人类.
4结语
外骨骼的使用能够提高工程作业人员的工作效率,并能极大的降低参和工程作业人员的伤病几率和传统的工程作业中安全事故发生的几率,从而减少由此产生的社会资源的浪费,并减少了由于工程事而故带来的对家庭、社会的伤害.本文从不同的行业类别中归纳出了不同的操作需求,并用实际案例和归纳总结的资料验证出了将外骨骼技术用于工程作业方面具有极高的可行性,并得出了一系列针对不同作业需求的外骨骼的设计要求和新理念.
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结论：关于外骨骼方面的的相关大学硕士和相关本科毕业论文以及相关中国外骨骼装甲论文开题报告范文和职称论文写作参考文献资料下载。
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