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1、 開題報告 課題名稱 助力式下肢外骨骼機器人 的結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析 學 號 姓 名 專 業(yè) 指導教師 開題時間 年 月 日 一、立論依據(jù) 1． 本課題的目的和意義 外骨骼是一種能提供對生物柔軟內(nèi)器官進行構(gòu)型、

2、建筑和保護的外部結(jié)構(gòu)。外骨骼機器人是一種可穿戴式仿生機器人，既可穿戴在操作者身體外部的一種機械結(jié)構(gòu)，它可以給穿戴者提供支撐、保護和增強運動能力。傳統(tǒng)輪式交通工具是目前遠行與負重的主要方式，而且它對路面環(huán)境要求較高，在很多領(lǐng)域仍然無法完成預(yù)定目標，例如在軍事?？瓶肌⑾罓I救等領(lǐng)域。隨著研究的深入發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)受現(xiàn)有控制方法和環(huán)境感知的局限，仿人型機器人有其嚴重的缺陷，包括決策能力和對人體的高度結(jié)合。因此將人的智能與機器人所具有強大的機械能量結(jié)合起來，綜合為一個封閉系統(tǒng)，將會帶來前所未有的變化，而外骨骼機器人正是這樣一種綜合體。研制助力式外骨骼機構(gòu)為穿戴者提供充足的力量和耐力來增強長距離行走和負重

3、能力，從而完成一些特殊任務(wù)?？纱┐魇酵夤趋罊C器人由于其自身的商業(yè)和軍事應(yīng)用價值，已經(jīng)成為近年來國內(nèi)外科學工作者的一個重點研究對象。 在軍事領(lǐng)域，單兵裝備越來越先進，隨之而產(chǎn)生的問題就是裝備體積和重量的增加，通過穿戴外骨骼，士兵的裝備重量可以通過外骨骼結(jié)構(gòu)直接傳遞到地面，這讓士兵背負重物靈活運動成為現(xiàn)實。借助外骨骼，士兵可輕松完成運送傷員、裝填炮彈和長距離奔襲等任務(wù)，過程中又不會大量消耗士兵體能，從而成倍增強士兵的戰(zhàn)斗力，真正成為戰(zhàn)場上制勝的核心力量。此外，隨著社會發(fā)展，我國已經(jīng)成為世界上老年人口最多的國家。據(jù)聯(lián)合國統(tǒng)計，到本世紀中期我國將有近5億人口超過60歲，伴隨著老年人各種生理功能的衰退

4、和交通事故的不斷增加，偏癱、中風、截癱等患者也不斷增多，導致這類人群下肢出現(xiàn)運動功能障礙的現(xiàn)象，其生存質(zhì)量急劇下降，使家庭和社會的負擔越來越重。此時如果有外骨骼機器人的輔助，幫助老年人行走、上下樓梯和適當負重等，其一方面可以提高老年人的生活質(zhì)量。另一方面可減少護理人員很大一部分工作量，從而緩解社會勞動力不足的壓力。 本文所涉及的外骨骼機器人是一種可穿戴的下肢外骨骼仿生機械腿，它可以把人和機械腿有機的結(jié)合起來，以人為中心，根據(jù)穿戴者的意愿來控制機器的行走，同時提高穿戴者搬運重物和行走的能力。本文設(shè)計的外骨骼，可以根據(jù)使用者自身的身體情況進行調(diào)節(jié)外骨骼。 二、文獻綜述 1． 國內(nèi)外研

5、究現(xiàn)狀、發(fā)展動態(tài) 美國加州大學伯克利分校的人體工程實驗室于2004年研制出世界上第一臺配有移動電源，能夠負重的下肢外骨骼機器人“伯克利下肢外骨骼”（Berkeley Lower Extremity Exoskeleton,BLEEX）。該裝置包括兩條金屬腿、微型計算機、能量控制單元及背包式外架等結(jié)構(gòu)。BLEEX在結(jié)構(gòu)上采用擬人的設(shè)計方式，每條腿部結(jié)構(gòu)在髖關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)各有3個自由度，膝關(guān)節(jié)有一個自由度。BLEEX下肢外骨骼上安裝的多個傳感器不斷地將人的方位和負重信息傳給計算機，計算機對此進行實時調(diào)整。 2002年，日本筑波大學Cybemics實驗室成功研制了HAL（Hybrid Assist

6、ive Limb），這是一種混合輔助肢體系列的可穿戴式助力機器人系統(tǒng)。它主要由無線LAN（局域網(wǎng)）系統(tǒng)、電池組、電機及減速器、傳感器及執(zhí)行機構(gòu)組成，動力傳動采用電機-減速器-外骨骼機構(gòu)的方法。能夠根據(jù)人體的動作意愿自動調(diào)整裝置的助力大小。HAL通過收集腿部的肌電信號來判斷穿戴者將要發(fā)生的運動狀況。然后計算機對驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)出指令，驅(qū)動裝置驅(qū)動電機進行相應(yīng)的運動。這款裝置通過鋰電池供電，正常運作時間為2小時40分。老年人或殘疾人在它的輔助下能以每小時4千米的速度行走，毫不費力的上下樓梯。上臂最大可負重40kg，下肢最大可負重100-180kg。 國內(nèi)有關(guān)下肢外骨骼機器人的研究起步較晚，科研機構(gòu)有限

7、，相對于國外而言，在這方面仍處于初期階段。近年來，隨著社會需求的不斷增長和科學技術(shù)的發(fā)展，外骨骼機器人的研究在國內(nèi)也得到了越來越廣泛的開展和重視，如浙江大學、中國科技大學、哈爾濱工程大學等，并取得了一些有價值的科研成果。 在國家“863”計劃和國家自然科學基金項目的資助下，中科院合肥智能機械研究所從2004年開始從事可穿戴式助力機器人方面的研究工作，采用理論研究、樣機試制相結(jié)合的方式，對可穿戴式助力機器人的機構(gòu)設(shè)計、步態(tài)控制等進行了分析，取得了一些成果，并成功研制出了一款可穿戴式下肢助力機器人。該機器人采用了類人結(jié)構(gòu)，單側(cè)具有五個自由度：髖關(guān)節(jié)有3個自由度，膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)各有一個自由度?！翱?/p>

8、穿戴式助力機器人”可利用多種傳感器來感知人體下肢的運動意圖，由伺服電機驅(qū)動關(guān)節(jié)運動，通過實時調(diào)整關(guān)節(jié)角度達到與人體相協(xié)調(diào)的運動且提供助力，從而降低人在長時間行走和重負荷情況下的運動強度。 2． 所閱文獻的查閱范圍及手段 文獻查閱網(wǎng)站：中國學術(shù)期刊網(wǎng)，東北大學圖書館電子資源，重慶維普數(shù)據(jù)庫 查閱范圍：國內(nèi)外期刊，博碩士論文，文獻，報紙，會議，專利 參考文獻 [1]尹軍茂.穿戴式下肢外骨骼機構(gòu)分析與設(shè)計[D].北京：北京工業(yè)大學，2010 [2]楊志勇，張靜，歸麗華，張遠山，等.外骨骼機器人控制方法綜述[J].海軍航空工程學報，2009,24（5）：520-525 [3]Sakura

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16、 三、研究內(nèi)容 1．課題的構(gòu)想與思路 通過上網(wǎng)查閱資料以及查詢碩博論文，了解下肢外骨骼的大致情況，包括各結(jié)構(gòu)設(shè)計、工作原理、選用材質(zhì)和適用條件等。用三維畫圖軟件SolidWorks對下肢外骨骼機器人進行三維建模。在三維建模完成后實現(xiàn)運動分析并進行干涉檢查。最后進行力學分析和構(gòu)思整體控制電路。 2．主要設(shè)計內(nèi)容 a. 下肢外骨骼三維建模設(shè)計 b. 力學性能分析與校核 c. 選擇電機參數(shù)，構(gòu)思控制電路 3．擬解決的關(guān)鍵技術(shù) 機械結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)與穿戴者的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。針對不同的使用人群和環(huán)境，將機構(gòu)設(shè)計成高度和寬

17、度可調(diào)節(jié)，可使不同使用對象舒服穿戴。 遵循經(jīng)濟性原則，在設(shè)計完下肢外骨骼各結(jié)構(gòu)后，又設(shè)計了一款可用于承受一定重物的背架，背架上留有一定的空間放置計算機控制組件及電池組，其余空間可放置重物，并用軟繩固定。 足部緩沖設(shè)計。普通平板足底可滿足一般路況及正常情況下的行走，但是在崎嶇路段和快走情況下行走產(chǎn)生的沖擊和振動會使穿戴者感到不適和疲勞，因此本機構(gòu)在足部設(shè)計了緩沖裝置。 4．總體設(shè)計方案 ① 外骨骼機器人大腿桿和小腿桿等結(jié)構(gòu)設(shè)計。 ② 髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)等關(guān)節(jié)的設(shè)計。 ③ 減速器和電機型號的選用與安裝固定。 ④ 確定各關(guān)節(jié)的連接方式。 ⑤ 編寫使用說明書。 5

18、. 預(yù)期效果 根據(jù)設(shè)計目標完成三維建模后，在SolidWorks中進行Motion運動分析，并導入人體模型。在關(guān)節(jié)處添加電機使之能按正常人行走且各結(jié)構(gòu)不發(fā)生相對干涉。通過添加負載計算關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動所需要的驅(qū)動力滿足各材質(zhì)的選擇。 四、工作計劃 序號 階段及內(nèi)容 工作量估計 （時數(shù)） 起止日期 階段成果形式 1 查閱資料擬定設(shè)計方案、論文選題 40 第1周（2.27-3.4） 選題 2 查閱資料、構(gòu)思設(shè)計方案 80 第2-3周（3.5-3.18） 開題報告 3 設(shè)計工作和圖紙繪制 280 第4-10周（3.19-5.6） 圖紙和中期檢查報告 4 分析

19、計算、校核強度 160 第11-14周（5.7-6.3） 確定各結(jié)構(gòu)參數(shù) 5 撰寫設(shè)計說明書 160 第13-16周（5.21-6.17） 設(shè)計說明書 6 畢業(yè)設(shè)計答辯 第17周 （擬定）（6.18-6.24） 答辯 合計工作量： 720小時 1. 圖紙一套，總計不少于四張A0圖紙，其中包括： （1）下肢外骨骼機器人總裝配圖1張（A0） （2）人體模型穿戴下肢外骨骼機器人各種狀態(tài)圖1張（A0） （3）背板承物架部裝圖1張（A0） （4）諧波減速器裝配圖1張（A1） （5）足部緩沖器部裝圖1張（A1） （6）電機及減速器固定部裝圖1張（A2） （7）腰部零件圖1張（A2） （6）大錐齒輪零件圖1張（A3） （7）小錐齒輪零件圖1張（A3） （8）關(guān)節(jié)軸零件圖3張（A3） 2. 設(shè)計說明書一份 3. 外文翻譯一篇 五、評審意見 指導教師對本課題的評價 該生對所開課題進行了詳細的調(diào)研，閱讀了許多中外文獻，所選定的課題具有一定的研究價值。 選題合理，設(shè)計方案可行，同意開題。 指導教師簽名 年 月 日 9