【摘 要】
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实施“中国制造2025”计划,加速制造业转型升级需要大批高水平技术应用型人才。与此同时,以航空制造为代表高端制造领域广泛存在手传振动影响职业场所健康水平,长期接触手传振动极易罹患手臂振动综合征相关疾病,降低工人的注意力、生产力,严重者甚至丧失劳动和生活能力,造成高级技工人才流失。工业外骨骼这类工业人类增强系统重新定义了人-工具之间的关系,增强工人的体力,契合制造业发展需求。但现有研究专注于降低工具
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实施“中国制造2025”计划,加速制造业转型升级需要大批高水平技术应用型人才。与此同时,以航空制造为代表高端制造领域广泛存在手传振动影响职业场所健康水平,长期接触手传振动极易罹患手臂振动综合征相关疾病,降低工人的注意力、生产力,严重者甚至丧失劳动和生活能力,造成高级技工人才流失。工业外骨骼这类工业人类增强系统重新定义了人-工具之间的关系,增强工人的体力,契合制造业发展需求。但现有研究专注于降低工具负载,忽视了振动对人体的影响。因此,本文结合前期研究成果设计一套具有减振与工具支撑功能的上肢穿戴抗振外骨骼作为干预措施,减少振动伤害,增强工人可持续作业能力。论文主要工作如下:(1)介绍制造业转型背景下的手传振动危害以及航空装配领域手臂振动综合征患病率现状,根据我国技术工人缺口以及劳动力老龄化国情表明研发抗振外骨骼的必要性。调查手传振动干预措施研究状况,总结现有研究优点与不足,提出设计具备减振性、操作舒适性、工具支撑功能的外骨骼具有重大意义。(2)分析作业工况以及人体运动机理提出外骨骼结构设计需求,基于人机工程学理论设计以剪式减振单元为核心的外骨骼结构。以操纵舒适性原则和功能性原则初选外骨骼结构参数,基于NASA力量模型建立人机耦合操纵舒适性评价仿真模型,完成阻尼系数和弹簧刚度选取。(3)根据拉格朗日原理对穿戴外骨骼后的人机耦合系统进行动力学理论分析,总结影响系统性能关键参数。利用ADAMS根据剪式减振单元连杆运动规律建立局部参数化人机耦合仿真模型,分析非线性系统变激励单因素变化振动响应特性,得到因素与力传递率响应曲线,扫频观察系统频域振动响应,分析工作频域隔振性能。(4)利用人机耦合仿真模型进行全因素交互作用的分析,得到显著影响外骨骼减振性能的参数以及交互作用项。根据交互作用分析结果设计交互正交仿真试验,基于试验样本数据进行非线性回归分析,采用遗传算法结合回归结果优化剪式减振单元结构。(5)试制外骨骼实物样机并模拟真实作业环境设计、实施客观试验。结合手传振动测量评价技术标准,提出接触压力和加速度的两维度客观评价方法,采用频率计权方式处理实验数据,在时域及频域检验外骨骼性能。试验结果表明:外骨骼能降低日接振值15.1%,单日铆接效率最大提高18%;减少铆接期接触压力约39.9%,间歇期减少49.4%;能缩短不同经验程度工人所操控铆枪振动强度之间的差距,提升铆接质量。
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