毕业设计（论文）-助力式下肢外骨骼机器人的结构设计.docx

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1、助力式下肢外骨骼机器人的结构设计与分析作者姓名:指导教师:单位名称:专业名称:Structural design and analysis of the lower limbexoskeleton robot设计任务书设计题目:助力式下肢外骨骼机器人的结构设计与分析基本内容：1 .针对设计内容，查阅相关参考文献30篇以上，其中外文文献不少于30%；2 .设计内容主要包括：机器人整体外形设计；各机构的连接固定；减速器和电机的选用及计算；3 .用绘图软件SolidWorks绘制三维模型，用CAXA绘制装配图、部装图和零件图合A0图纸4张以上，要求设计的内容合理，图纸规范；4 .翻译1篇与设计课题相

2、关的英文文献；5 .撰写设计说明书1份。设计专题部分:题目：.基本内容：学生接受设计题目日期第1周指导教师签字:摘要摘要随着科学技术的发展，下肢外骨骼机器人作为一种典型的人机一体化助力装置，在军事领域和生物医学等领域得到了越来越多的重视，是智能机器人的又一重大突破。该研究融合了机器人学、机构学、人机工程、控制理论以及福祉工程学等学科。外骨骼通过提取人的运动信息控制机器腿，通过机器腿来完成依靠人的自身能力无法完成的负重、远行等任务。此外，下肢外骨骼机器人也可以用来检测人体的运动信息，通过深度学习辅助残患人士行走，以达到康复治疗的目的。本文查阅了国内外相关研究的文献资料，了解了国内、外相关研究的背

3、景、研究进展和未来的总体发展方向，总结了人体下肢骨骼模型和下肢骨骼的运动机构特征、步行运动的序列、步行过程中的关节功能等，建立了下肢外骨骼三维模型，并对外骨骼的髓关节、膝关节和踝关节等重点关节结构进行了详细设计。外骨骼机器人在运动过程中需要与人体正常运动保持高度的一致性，因此考虑穿戴者的舒适性以及人机工程学设计了各关节的自由度以及杆长可调机制。通过介绍不同驱动方式的优缺点最终确定电机以及减速器方案并通过分析所得驱动力矩和功率完成电机以及减速器的选型。为适应不同的路况，在足底设计了缓冲避震装置，以保证穿戴者在行走过程中的舒适性和平稳性。关键词：下肢外骨骼；结构设计；步态规划；缓冲避震Abstra

4、ctAbstractWith the continuous development of science and technology, lower extremity exoskeletonrobot as a typical man-machine integrated power plant, in the biomedical and military fieldshave been more and more attention, is a major breakthrough in intelligent robots-The studyincorporates disciplin

5、es such as mechanics, ergonomics, robotics, control theory, and welfareengineering. This kind of exoskeleton relies on human motion information to control the robot,through the robot to complete the ability to rely on their own can not be done alone load,travel and other tasks. In addition, exoskele

6、ton robots can also be used to detect themovement information of the body, through the depth of learning to assist disabled peoplewalking to achieve the purpose of rehabilitation.This paper reviews the literatures of relevant research at home and abroad, investigates thebackground, research progress

7、 and future development of domestic and foreign research. Itsummarizes the characteristics of the movement of the lower limb and the movement of thelower limb, the sequence of walking, The joint function of the process, the establishment ofthe lower limb skeleton three-dimensional model, and the exo

8、skeleton of the hip, knee andankle joint structure such as the focus of the design. The skeletal robots need to maintain ahigh degree of consistency with the normal movement of the human body during exercise.Therefore, considering the comfort of the wearer and the interpersonal engineering, thefreed

9、om of each joint and the mechanism of adjusting the length of the joints are designed.Through the introduction of the advantages and disadvantages of different drive methods todetermine the final motor and reducer program and through the analysis of the drive torqueand power to complete the motor an

10、d reducer selection. In order to adapt to different roadconditions, in the foot of the design of the cushioning device to ensure that the wearer in theprocess of walking comfort and stability.Key words： Lower extremity exoskeleton； Structural design； Gait planning； Buffer shoe III目录目录设计任务书i摘 要iiAbst

11、ract iii第1章绪论11.1 选题背景与研究意义11.2 国内外研究现状及发展动态21.2.1 国外研究现状及发展动态21.2.2 国内研究现状及发展动态41.3 本课题的提出及论文结构51.3.1 主要内容51.3.2 论文结构6第2章 人体下肢运动机理分析72.1 人体下肢解剖学概述72.1.1 名词术语解释72.1.2 下肢各关节运动特点分析82.1.3 步态周期时相分析112.2 负重行走对步态的影响 112.3 下肢外骨骼设计要求12第3章外骨骼结构设计与三维建模133.1 零件的三维模型153.2 下肢外骨骼装配183.3 各个关节设计203.3.1 鞍关节设计20v目录3.

12、3.2 膝关节设计213.3.3 踝关节设计223.3.4 限位装置设计243.4 腿杆设计243.5 背部承物架设计253.6 缓冲足底设计263.6.1 概述263.6.2 缓冲足底三维模型273.6.3 脚跟设计283.6.4 脚趾设计293.7 外骨骼三维模型30第4章 减速器和电机的选择314.1 驱动系统的确定314.2 驱动电机、减速器的选择计算 32第5章关键零部件的计算与校核355.1 直齿圆锥齿轮的计算与校核355.2 轴的计算与校核385.3 轴承的校核405.4 腿杆的校核42第6章环保与经济性分析45第7章总结与展望467.1 总结467.2 展望46参考文献47目录

13、49结束语vi第1章绪论第1章绪论1.1 选题背景与研究意义下肢骨骼是一种能够对生物柔软器官提供进行构型、建筑和保护的外部框架结构。下肢外骨骼机器人是一种可穿戴的仿生机器人，即穿戴在人身体外部的一种机械结构,它可以为穿戴者提供支撑、保护和运动增强的能力。传统轮式交通工具是目前机器负重和远行的主要方式，而且其对路面环境要求较高。在很多领域无法成功完成预定目标,例如在军事行动、科学考察、消防营救等领域。随着研究的深入开展，人们发现受现有控制方法和环境感知的限制，类人型机器人有着严重的缺陷，包括决策和与人体的高度结合的能力。因而将人的智慧与机器所具备的强大机械能量结合起来，组合成为一个封闭体，将会带

14、来前所未有的变化，而外骨骼机器人正是这样一种综合体。研发助力式外骨骼机器人为穿戴者提供强大的力量和耐力来加强长距离行走和负重能力，从而完成一些特殊任务。助力式下肢外骨骼机器人由于其自身的商业和军事应用价值，近年来已成为国内外科学工作者的一个重点研究领域。在军事上，单兵装备越来越先进，随之产生的问题就是装备体积和负重的增加。通过穿戴外骨骼，士兵的装备负重可以经过下肢外骨骼结构直接传递给地面，这让士兵背负重物灵活行走成为现实。通过穿戴下肢外骨骼，士兵可毫不费力的完成装填炮弹、运送伤员和长距离奔袭等紧急任务，在这过程中基本不会消耗士兵体能，从而使士兵的战斗力大量增加，真正成为战场上毙敌制胜的核心力量

15、。此外，随着社会发展，我国已经成为世界上老年人口最多的国家。据联合国统计，到本世纪中期我国超过60岁的人口有近5亿，随着年龄增长，老年人各种生理功能衰退和交通事故不断增加，中风、偏瘫、截瘫等患者也不断增加，致使这类人群下肢运动功能出现障碍，生活质量急剧下降，使家庭和社会的负担越来越重。此时如果有下肢外骨骼机器人的辅助，帮助此类人群行走、上下楼梯和适当负重等，其一方面可以提高老年人的生活质量。另一方面可减少护理人员很大一部分工作量，从而缓解社会劳动力不足的压力。因此本文设计的是一种可穿戴的助力式下肢外骨骼仿生机械腿，它可以把人体下肢和机械腿有机的结合起来，以人为中心，根据穿戴者的意愿来控制机器的行走，同时提高穿戴者搬运重物和行走的能力。本文设计的外骨骼，可以根据使用者自身的身体情况进行调节。1.2 国内外研究现状及发展动态1.2.1 国外研究现状及发展动态下肢外骨骼机器人在欧美和口本等发达国家得到了医疗机构和科研工