摘要
目前，煤矿机器人已得到大规模应用，煤矿已基本实现工作面的机械化生产，但在井下仍存在诸多工况不适合大型设备的使用，如复杂巷道维修、小型硐室掘进和打帮锚杆等，人工体力劳动依然是不可替代的。在提高行走耐久性和增强负重能力等对体能有特殊要求方面，外骨骼机器人有杰出效果。因此一款用于辅助煤矿工人作业的外骨骼机器人具有重要意义。本文针对煤矿井下的复杂环境和实际工况需求，设计一种助力外骨骼机器人，用于辅助工人移动、操作重型风镐等机具，降低工人劳动强度，提高作业效率。 首先对作业人员纯人工使用重型风镐等机具作业时的人体主要动作特征参数进行采集，确定人体作业过程中各关节和身体部位的活动范围，以此作为外骨骼外形尺寸和关节自由度设计的基础数据。分析机具操作的特征动作，确定造成工人疲劳和劳动强度大的主要因素，以此为依据确定外骨骼自由度的动力配置方案。根据以上分析完成外骨骼的构型设计，为使外骨骼在穿戴使用时能与人体动作相互协调，采用仿生学设计思想。该外骨骼机器人分为上肢升降平台和下肢仿生机械腿两部分，可以实现快速穿戴，适应不同体型的操作人员，将机具操作的主要作用力由外骨骼承担实现助力效果。针对煤矿井下的防爆要求，设计了一套纯机械式的触发装置，可以检测人体动作位移用作控制开关输入信号，控制作动器跟随人体动作，整个人机系统形成了闭合机械反馈控制系统，避免了电的使用。整套机构的动力由井下巷道中取用方便的高压气路提供，背部装有气液增压泵，可将气动转为液动用于助力器的驱动。根据设计的外骨骼构型，建立人机穿戴模型，并利用ADAMS软件对其正常行走步态进行运动学和动力学仿真，以验证其结构设计的合理性和对其结构参数进行优化。针对脚底压力和背部受力进行分析，得出外骨骼的助力效果和舒适性因素。 搭建了外骨骼机器人样机试验平台，进行实物样机穿戴试验，通过传感器对人机之间接触的交互力进行测试，对外骨骼的助力效果和穿戴舒适性做出了量化评估。通过反复试验，验证了外骨骼机器人的结构设计、控制策略的可靠性，并得出了穿戴该外骨骼机器人的助力效果和对人体劳动强度的减轻程度。
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