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1、開(kāi)題報(bào)告 課題名稱助力式下肢外骨骼機(jī)器人課題的構(gòu)想與思路 的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析 學(xué) 號(hào)_ 姓 名_ 專 業(yè)_ 指導(dǎo)教師_ 開(kāi)題時(shí)間 年 月 日 通過(guò)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(jì)、 工作原理、選用材質(zhì)和適用條件等。用三維畫圖軟件SolidWorks對(duì)下肢外骨骼機(jī)器人進(jìn)行三 維建模。在三維建模完成后實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)分析并進(jìn)行干涉檢查。最后進(jìn)行力學(xué)分析和構(gòu)思整體控 制電路。 1. 主要設(shè)計(jì)內(nèi)容下肢外骨骼三維建模設(shè)計(jì) a. 力學(xué)性能分析與校核選擇電機(jī)參數(shù)，構(gòu)思控制電路 2. 擬解決的關(guān)鍵技術(shù) 機(jī)械結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)與穿戴者的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。針

2、對(duì)不同的使用人群和環(huán)境，將機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)成高度 和寬度可調(diào)節(jié)，可使不同使用對(duì)象舒服穿戴。 遵循經(jīng)濟(jì)性原則，在設(shè)計(jì)完下肢外骨骼各結(jié)構(gòu)后，又設(shè)計(jì)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(jì)算機(jī)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(jì)。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(dòng)會(huì)使穿戴者感到不適和疲勞，因此本機(jī)構(gòu)在足部設(shè)計(jì)了緩 沖裝置。 3. 總體設(shè)計(jì)方案 ① 外骨骼機(jī)器人大腿桿和小腿桿等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 ② 髏關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)等關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)。 ③ 減速器和電機(jī)型號(hào)的選用與安裝固定。 ④ 確定各關(guān)節(jié)的

3、連接方式。 ⑤ 編寫使用說(shuō)明書。 4. 預(yù)期效果 根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)完成三維建模后，在SolidWorks中進(jìn)行Motion運(yùn)動(dòng)分析，并導(dǎo)入人體模 型。在關(guān)節(jié)處添加電機(jī)使之能按正常人行走且各結(jié)構(gòu)不發(fā)生相對(duì)干涉。通過(guò)添加負(fù)載計(jì)算關(guān) 節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)所需要的驅(qū)動(dòng)力滿足各材質(zhì)的選擇。 四、工作計(jì)劃 序號(hào) 階段及內(nèi)容 工作量估計(jì) (時(shí)數(shù)) 起止日期 階段成果形式 1 查閱資料擬定設(shè)計(jì)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(jì)方案 80 第2-3周 (3. 5-3. 18) 開(kāi)題報(bào)告 3 設(shè)計(jì)工作和圖紙繪制 280 第4-10周

4、 (3. 19-5.6) 圖紙和中期檢查 報(bào)告 4 分析計(jì)算、校核強(qiáng)度 160 第11T4周 (5. 7-6.3) 確定各結(jié)構(gòu)參數(shù) 5 撰寫設(shè)計(jì)說(shuō)明書 160 第13-16周 (5.21-6. 17) 設(shè)計(jì)說(shuō)明書 6 畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯 第17周 (擬定) (6. 18-6. 24) 答辯 合計(jì)工作量：720小時(shí) 1. 圖紙一套，總計(jì)不少于四張A0圖紙，其中包括： (1) 下肢外骨骼機(jī)器人總裝配圖1張(A0) (2) 人體模型穿戴下肢外骨骼機(jī)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、5) 足部緩沖器部裝圖1張(A1) (6) 電機(jī)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(jì)說(shuō)明書一份 3. 外文翻譯一篇 五、評(píng)審意見(jiàn)指導(dǎo)教師對(duì)本課題的評(píng)價(jià) 該生對(duì)所開(kāi)課題進(jìn)行了詳細(xì)的調(diào)研，閱讀了許多中外文獻(xiàn)，所選定的課題具有一定的研究 價(jià)值。 選題合理，設(shè)計(jì)方案可行，同意開(kāi)題。 指導(dǎo)教師簽名 年 月 日 —、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(duì)生物柔軟內(nèi)器官進(jìn)行構(gòu)型、建筑和保護(hù)的外部結(jié)構(gòu)。外骨骼機(jī)器 人是一種

6、可穿戴式仿生機(jī)器人，既可穿戴在操作者身體外部的一種機(jī)械結(jié)構(gòu)，它可以給穿戴 者提供支撐、保護(hù)和增強(qiáng)運(yùn)動(dòng)能力。傳統(tǒng)輪式交通工具是目前遠(yuǎn)行與負(fù)重的主要方式，而且 它對(duì)路面環(huán)境要求較高，在很多領(lǐng)域仍然無(wú)法完成預(yù)定目標(biāo)，例如在軍事?？瓶肌⑾罓I(yíng)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(jī)器人 有其嚴(yán)重的缺陷，包括決策能力和對(duì)人體的高度結(jié)合。因此將人的智能與機(jī)器人所具有強(qiáng)大 的機(jī)械能量結(jié)合起來(lái)，綜合為一個(gè)封閉系統(tǒng)，將會(huì)帶來(lái)前所未有的變化，而外骨骼機(jī)器人正 是這樣一種綜合體。研制助力式外骨骼機(jī)構(gòu)為穿戴者提供充足的力量和耐力來(lái)增強(qiáng)長(zhǎng)距離行 走和負(fù)重能力，從而完成一些特殊任務(wù)

7、?？纱┐魇酵夤趋罊C(jī)器人由于其自身的商業(yè)和軍事應(yīng) 用價(jià)值，已經(jīng)成為近年來(lái)國(guó)內(nèi)外科學(xué)工作者的一個(gè)重點(diǎn)研究對(duì)象。 在軍事領(lǐng)域，單兵裝備越來(lái)越先進(jìn)，隨之而產(chǎn)生的問(wèn)題就是裝備體積和重量的增加，通 過(guò)穿戴外骨骼，士兵的裝備重量可以通過(guò)外骨骼結(jié)構(gòu)直接傳遞到地面，這讓士兵背負(fù)重物靈 活運(yùn)動(dòng)成為現(xiàn)實(shí)。借助外骨骼，士兵可輕松完成運(yùn)送傷員、裝填炮彈和長(zhǎng)距離奔襲等任務(wù)， 過(guò)程中又不會(huì)大量消耗士兵體能，從而成倍增強(qiáng)士兵的戰(zhàn)斗力，真正成為戰(zhàn)場(chǎng)上制勝的核心 力量。此外，隨著社會(huì)發(fā)展，我國(guó)己經(jīng)成為世界上老年人口最多的國(guó)家。據(jù)聯(lián)合國(guó)統(tǒng)計(jì)，到 本世紀(jì)中期我國(guó)將有近5億人口超過(guò)60歲，伴隨著老年人各種生理功能的衰退和交通事故的

8、不斷增加，偏癱、中風(fēng)、截癱等患者也不斷增多，導(dǎo)致這類人群下肢出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)功能障礙的現(xiàn) 象，其生存質(zhì)量急劇下降，使家庭和社會(huì)的負(fù)擔(dān)越來(lái)越重。此時(shí)如果有外骨骼機(jī)器人的輔助, 幫助老年人行走、上下樓梯和適當(dāng)負(fù)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(hù)理人員很大一部分工作量，從而緩解社會(huì)勞動(dòng)力不足的壓力。 本文所涉及的外骨骼機(jī)器人是一種可穿戴的下肢外骨骼仿生機(jī)械腿，它可以把人和機(jī)械 腿有機(jī)的結(jié)合起來(lái)，以人為中心，根據(jù)穿戴者的意愿來(lái)控制機(jī)器的行走，同時(shí)提高穿戴者搬 運(yùn)重物和行走的能力。本文設(shè)計(jì)的外骨骼，可以根據(jù)使用者自身的身體情況進(jìn)行調(diào)節(jié)外骨骼。 二、文獻(xiàn)綜述國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀' 發(fā)展動(dòng)態(tài)

9、 美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的人體工程實(shí)驗(yàn)室于2004年研制出世界上第一臺(tái)配有移動(dòng)電 源，能夠負(fù)重的下肢外骨骼機(jī)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(jì)算機(jī)、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(jì)方式，每條腿部結(jié)構(gòu)在髓關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)各有3個(gè)自由 度，膝關(guān)節(jié)有一個(gè)自由度。BLEEX下肢外骨骼上安裝的多個(gè)傳感器不斷地將人的方位和負(fù)重 信息傳給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)對(duì)此進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。 2002年，日本筑波大學(xué)Cybemics實(shí)驗(yàn)室成功研制了 HAL (Hybrid Assistiv

10、e Limb),這 是一種混合輔助肢體系列的可穿戴式助力機(jī)器人系統(tǒng)。它主要由無(wú)線LAN (局域網(wǎng))系統(tǒng)、 電池組、電機(jī)及減速器、傳感器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成，動(dòng)力傳動(dòng)采用電機(jī)-減速器-外骨骼機(jī)構(gòu)的 方法。能夠根據(jù)人體的動(dòng)作意愿自動(dòng)調(diào)整裝置的助力大小。HAL通過(guò)收集腿部的肌電信號(hào)來(lái) 判斷穿戴者將要發(fā)生的運(yùn)動(dòng)狀況。然后計(jì)算機(jī)對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)發(fā)出指令，驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行 相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)。這款裝置通過(guò)鋰電池供電，正常運(yùn)作時(shí)間為2小時(shí)40分。老年人或殘疾人在它 的輔助下能以每小時(shí)4千米的速度行走，毫不費(fèi)力的上下樓梯。上臂最大可負(fù)重40kg,下肢 最大可負(fù)重100-180kgo 國(guó)內(nèi)有關(guān)下肢外骨骼機(jī)器人的研究起步較晚，

11、科研機(jī)構(gòu)有限，相對(duì)于國(guó)外而言，在這方 面仍處于初期階段。近年來(lái)，隨著社會(huì)需求的不斷增長(zhǎng)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，外骨骼機(jī)器人的 研究在國(guó)內(nèi)也得到了越來(lái)越廣泛的開(kāi)展和重視，如浙江大學(xué)、中國(guó)科技大學(xué)、哈爾濱工程大 學(xué)等，并取得了一些有價(jià)值的科研成果。 在國(guó)家“863”計(jì)劃和國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目的資助下，中科院合肥智能機(jī)械研究所從 2004年開(kāi)始從事可穿戴式助力機(jī)器人方面的研究工作，采用理論研究、樣機(jī)試制相結(jié)合的方 式，對(duì)可穿戴式助力機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、步態(tài)控制等進(jìn)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(jī)器人。該機(jī)器人采用了類人結(jié)構(gòu)，單側(cè)具有五個(gè)自由度： 甑關(guān)節(jié)有3個(gè)自由度，膝關(guān)節(jié)和

12、踝關(guān)節(jié)各有一個(gè)自由度?！翱纱┐魇街C(jī)器人”可利用多種 傳感器來(lái)感知人體下肢的運(yùn)動(dòng)意圖，由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)實(shí)時(shí)調(diào)整關(guān)節(jié)角度達(dá)到 與人體相協(xié)調(diào)的運(yùn)動(dòng)且提供助力，從而降低人在長(zhǎng)時(shí)間行走和重負(fù)荷情況下的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度。 2, 所閱文獻(xiàn)的查閱范圍及手段文獻(xiàn)查閱網(wǎng)站：中國(guó)學(xué)術(shù)期刊網(wǎng)，東北大學(xué)圖書館電子資源，重慶維普數(shù)據(jù)庫(kù) 查閱范圍：國(guó)內(nèi)外期刊，博碩士論文，文獻(xiàn)，報(bào)紙，會(huì)議，專利 參考文獻(xiàn) [1] 尹軍茂.穿戴式下肢外骨骼機(jī)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)[D].北京：北京工業(yè)大學(xué)，2010楊志勇，張靜，歸麗華，張遠(yuǎn)山，等.外骨骼機(jī)器人控制方法綜述[J].海軍航空工程學(xué)報(bào), 2009,24 (5)： 520-52

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