开题报告-助力式下肢外骨骼机器人的结构设计.docx

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1、开题报告课题名称助力式下肢外骨骼机器人的结构设计与分析学 号专 业指导教师开题时间 年 月 日一、立论依据1.本课题的目的和意义外骨骼是一种能提供对生物柔软内器官进行构型、建筑和保护的外部结构。外骨骼机器人是一种可穿戴式仿生机器人，既可穿戴在操作者身体外部的一种机械结构，它可以给穿戴者提供支撑、保护和增强运动能力。传统轮式交通工具是目前远行与负重的主要方式，而且它对路面环境要求较高，在很多领域仍然无法完成预定目标，例如在军事。科考、消防营救等领域。随着研究的深入发展，人们发现受现有控制方法和环境感知的局限，仿人型机器人有其严重的缺陷，包括决策能力和对人体的高度结合。因此将人的智能与机器人所具有

2、强大的机械能量结合起来，综合为一个封闭系统，将会带来前所未有的变化，而外骨骼机器人正是这样一种综合体。研制助力式外骨骼机构为穿戴者提供充足的力量和耐力来增强长距离行走和负重能力，从而完成一些特殊任务。可穿戴式外骨骼机器人由于其自身的商业和军事应用价值，已经成为近年来国内外科学工作者的一个重点研究对象。在军事领域，单兵装备越来越先进，随之而产生的问题就是装备体积和重量的增加，通二、文献综述1.国内外研究现状、发展动态美国加州大学伯克利分校的人体工程实验室于2004年研制出世界上第一台配有移动电源，能够负重的下肢外骨骼机器人“伯克利下肢外骨骼(Berkeley Lower ExtremityExo

3、skeleton, BLEEX)O该装置包括两条金属腿、微型计算机、能量控制单元及背包式外架等结构。BLEEX在结构上采用拟人的设计方式，每条腿部结构在酸关节和踝关节各有3个自由度，膝关节有一个自由度。BLEEX下肢外骨骼上安装的多个传感器不断地将人的方位和负重信息传给计算机，计算机对此进行实时调整。2002年,日本筑波大学Cybemics实验室成功研制了 HAL (Hybrid Assistive Limb),这是一种混合辅助肢体系列的可穿戴式助力机器人系统。它主要由无线LAN (局域网)系统、电池组、电机及减速器、传感器及执行机构组成，动力传动采用电机-减速器-外骨骼机构的方法。能够根据人

4、体的动作意愿自动调整装置的助力大小。HAL通过收集腿部的肌电信号来判断穿戴者将要发生的运动状况。然后计算机对驱动系统发出指令，驱动装置驱动电机进行相应的运动。这款装置通过锂电池供电，正常运作时间为2小时40分。老年人或残疾人在它的辅助下能以每小时4千米的速度行走，毫不费力的上下楼梯。上臂最大可负重40kg,下肢最大可负重100-180kgo国内有关下肢外骨骼机器人的研究起步较晚，科研机构有限，相对于国外而言，在这方查阅范围：国内外期刊，博硕士论文，文献，报纸，会议，专利参考文献1尹军茂.穿戴式下肢外骨骼机构分析与设计D.北京：北京工业大学，20102杨志勇，张静，归丽华，张远山，等.外骨骼机器

5、人控制方法综述J.海军航空工程学报,2009,24 (5)： 520-5253Sakurai T,Sankai Y, et al. Development of motion instruction system withinteractive robot suit HALC.Proceedings of IEEE International Conferece onRobotics and Biomimetics, Japan:robotics and Biomimetics (ROBTO),2009:1141-11474 Yoshiyuki Sankai. Wearing Type Beh

6、avior Help Device Calibration Device and ControlProgram:USA, 201100432AIP. 2011-01-065Yoshiyuki Sankai.Centroid Position Detector Device and Wearing Type ActionAssistance Device Including Centroid Position DetectorDevice:USA,20100271051AIP. 2010-10-286Kazerooni H,Steger R, Li H H.Hybrid Control of t

7、he Berkeley Lower ExtremityExoskeleton (BLEE) D.The International Journal of Robotics Research,2006.7陈锋.可穿戴型助力机器人技术研究D.中国科学技术大学博士学位论文，2007. 58方郁,可穿戴下肢助力机器人动力学建模及其控制研究D.中国科学技术大学博士学位论文，2009. 59Zhu Y, Zhang G,Zhang C, et al. Design and evaluation of a paral1 el-series elasticactuator for lower limb exo

8、skeletonsC. Robotics and Automation(ICRA), 2014 IEEEInternational Conference on.IEEE,2014:1335-1340.10张佳帆.基于柔性外骨骼人机智能系统基础理论及应用技术研究D.浙江：浙江大学，2009:38-48.11李秀梅.双足机器人仿生足部运动机构研究D.杭州：杭州电子科技大学，2010.12武明，季林红，金德闻等.人体背部负重对于步态特性的影响及相应补偿策略的实验研究J.生物医学工程学杂志.2003； 20 (4)： 574-579.13赵凌燕，张立勋，王岚.测力鞋垫系统在步态研究中的应用.测控技术.

9、 2006,25 (11)：38-41.14Conor James Walsh, Ken Endo, Hugh Herr, A quasi-passive leg exoskeleton forload-carrying augmentation, International Journal of Humanoid Robotics, Vol. 4,No- 3 (2007)： 487-506.15Bateni H, Heung E, Zettel J, etal. Can use of walkers or canes impede lateralcompensatory stepping m

10、oventsJ. Gait Posture, 2004, 20 (1) ;74-83.16Cororan PJ. Effect of plastic and metal leg skeleton aped and energy cost ofhemipartic ambulationJ. Arch PhysMedRehatil, 2003, 51:69-77.17Rosen J, Brand M, Arcan M, A Myosignal-based Powered Exoskeleton System. IEEETranssctions on System, Man and Cybernet

11、ics, Part A, 2001.18Adam Zoss, Kazerooni, H, Desgn of an electrically actuated lower extremityexoskeleton, Advanced Robotics, 2006, v20 (9)： 967-988.19王正义.足踝外科学M,人民卫生出版社，2007:91-156.20张蕊，张佳帆，张文蔚.可穿戴式柔性外骨骼人机智能系统安全性设计评价J.机电工程，2008. 12.21曹恒，贺成坤，孟宪伟，凌正阳.下肢外骨骼服传感靴的结构优化分析J.工程设计学报，2010. 2.三、研究内容1 .课题的构想与思路

12、通过上网查阅资料以及查询硕博论文，了解下肢外骨骼的大致情况，包括各结构设计、工作原理、选用材质和适用条件等。用三维画图软件SolidWorks对下肢外骨骼机器人进行三维建模。在三维建模完成后实现运动分析并进行干涉检查。最后进行力学分析和构思整体控制电路。2 .主要设计内容a.下肢外骨骼三维建模设计b.力学性能分析与校核c.选择电机参数，构思控制电路3 .拟解决的关键技术机械结构及系统与穿戴者的协调统一。针对不同的使用人群和环境，将机构设计成高度和宽度可调节，可使不同使用对象舒服穿戴。遵循经济性原则，在设计完下肢外骨骼各结构后，又设计了一款可用于承受一定重物的背架，背架上留有一定的空间放置计算机

13、控制组件及电池组，其余空间可放置重物，并用软绳固定。足部缓冲设计。普通平板足底可满足一般路况及正常情况下的行走，但是在崎岖路段和快走情况下行走产生的冲击和振动会使穿戴者感到不适和疲劳，因此本机构在足部设计了缓冲装置。4 .总体设计方案外骨骼机器人大腿杆和小腿杆等结构设计。髅关节、膝关节和踝关节等关节的设计。减速器和电机型号的选用与安装固定。确定各关节的连接方式。编写使用说明书。5 .预期效果根据设计目标完成三维建模后，在SolidWorks中进行Motion运动分析，并导入人体模型。在关节处添加电机使之能按正常人行走且各结构不发生相对干涉。通过添加负载计算关节转动所需要的驱动力满足各材质的选择

14、。四、工作计划序号阶段及内容工作量估计(时数)起止日期阶段成果形式1查阅资料拟定设计方案、论文选题40第1周(2. 27-3.4)选题2查阅资料、构思设计方案80第2-3周(3. 5-3. 18)开题报告3设计工作和图纸绘制280第4-10周(3. 19-5.6)图纸和中期检查报告4分析计算、校核强度160第11T4周(5. 7-6.3)确定各结构参数5撰写设计说明书160第13-16周(5.21-6. 17)设计说明书6毕业设计答辩第17周(拟定)(6. 18-6. 24)答辩合计工作量：720小时1 .图纸一套，总计不少于四张A0图纸，其中包括：(1)下肢外骨骼机器人总装配图1张(A0)(2)人体模型穿戴下肢外骨骼机器人各种状态图1张(A0)(3)背板承物架部装图1张(A0)(4)谐波减速器装配图1张(A1)(5)足部缓冲器部装图1张(A1)(6)电机及减速器固定部装图1张(A2)(7)腰部零件图1张(A2)(6)大锥齿轮零件图1张(A3)(7)小锥齿轮零件图1张(A3)(8)关节轴零件图3张(A3)2 .设计说明书一份3 .外文翻译一篇五、评审意见指导教师对本课题的评价该生对所开课题进行了详细的调研，阅读了许多中外文献，所选定的课题具有一定的研究价值。选题合理，设计方案可行，同意开题。指导教师签名年 月 日