開題報(bào)告-助力式下肢外骨骼機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1、 開題報(bào)告課題名稱 助力式下肢外骨骼機(jī)器人 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 開題時(shí)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(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(biāo)，例如在軍事。科考、消防營救等領(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，包括決策能力和對人體的高度結(jié)合。因此

2、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，綜合為一個(gè)封閉系統(tǒng)，將會(huì)帶來前所未有的變化，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增強(qiáng)長距離行走和負(fù)重能力，從而完成一些特殊任務(wù)?？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)成為近年來國內(nèi)外科學(xué)工作者的一個(gè)重點(diǎn)研究對象。在軍事領(lǐng)域，單兵裝備越來越先進(jìn)，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(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、裝填炮彈和長距離奔襲等任務(wù)，過程中又不會(huì)大量消耗士兵體能，從而成倍

3、增強(qiáng)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(huì)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(jì)，到本世紀(jì)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和交通事故的不斷增加，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

4、，以人為中心，根據(jù)穿戴者的意愿來控制機(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1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、發(fā)展動(dòng)態(tài)美國加州大學(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)在髖關(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

5、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 Assistive 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通過收集腿部的肌電信號(hào)來判斷穿戴者將要發(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

6、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100-180kg。國內(nèi)有關(guān)下肢外骨骼機(jī)器人的研究起步較晚，科研機(jī)構(gòu)有限，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(huì)需求的不斷增長和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，外骨骼機(jī)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(xué)、中國科技大學(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。在國家“863”計(jì)劃和國家自然科學(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

7、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：髖關(guān)節(jié)有3個(gè)自由度，膝關(guān)節(jié)和踝關(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)庫查閱范圍：國內(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)，20102楊志勇，張靜，歸麗華，張遠(yuǎn)

8、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）：520-5253Sakurai T,Sankai Y,et al.Development of motion instruction system with interactive robot suit HALC.Proceedings of IEEE International Conferece on Robotics and Biomimetics,Japan:robotics and Biomimetics (ROBIO),2009:1141-11474Yoshiyuki Sankai.Wearing Type

9、 Behavior Help Device Calibration Device and Control Program:USA,201100432AIP.2011-01-065Yoshiyuki Sankai.Centroid Position Detector Device and Wearing Type Action Assistance Device Including Centroid Position Detector Device:USA,20100271051AIP.2010-10-286Kazerooni H,Steger R,Li H H.Hybrid Control o

10、f the Berkeley Lower Extremity Exoskeleton（BLEE）D.The International Journal of Robotics Research,2006.7陳鋒.可穿戴型助力機(jī)器人技術(shù)研究D.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士學(xué)位論文，2007.58方郁.可穿戴下肢助力機(jī)器人動(dòng)力學(xué)建模及其控制研究D.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士學(xué)位論文，2009.59Zhu Y,Zhang G,Zhang C,et al.Design and evaluation of a parallel-series elastic actuator for lower limb exoske

11、letonsC.Robotics and Automation(ICRA),2014 IEEE International Conference on.IEEE,2014:1335-1340.10張佳帆.基于柔性外骨骼人機(jī)智能系統(tǒng)基礎(chǔ)理論及應(yīng)用技術(shù)研究D.浙江：浙江大學(xué)，2009:38-48.11李秀梅.雙足機(jī)器人仿生足部運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)研究D.杭州：杭州電子科技大學(xué)，2010.12武明，季林紅，金德聞等人體背部負(fù)重對于步態(tài)特性的影響及相應(yīng)補(bǔ)償策略的實(shí)驗(yàn)研究J生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志2003；20（4）：574-579.13趙凌燕，張立勛，王嵐測力鞋墊系統(tǒng)在步態(tài)研究中的應(yīng)用測控技術(shù)2006,25（11）：3

12、8-41.14Conor James Walsh,Ken Endo，Hugh Herr，A quasi-passive leg exoskeleton for load-carrying augmentation，International Journal of Humanoid Robotics，Vol4，No3（2007）：487-506.15Bateni H，Heung E，Zettel J，etalCan use of walkers or canes impede lateral compensatory stepping moventsJGait Posture，2004，20（1

13、）;74-83.16Cororan PJEffect of plastic and metal leg skeleton aped and energy cost of hemipartic ambulationJArch PhysMedRehatil，2003，51:69-77.17Rosen J，Brand M，Arcan M，A Myosignal-based Powered Exoskeleton SystemIEEE Transsctions on System，Man and Cybernetics，Part A，2001.18Adam Zoss，Kazerooni，H，Desgn

14、 of an electrically actuated lower extremity exoskeleton，Advanced Robotics，2006，v20（9）：967-988.19王正義足踝外科學(xué)M人民衛(wèi)生出版社，2007:91-156.20張蕊，張佳帆，張文蔚可穿戴式柔性外骨骼人機(jī)智能系統(tǒng)安全性設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)J機(jī)電工程，200812.21曹恒，賀成坤，孟憲偉，凌正陽下肢外骨骼服傳感靴的結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析J工程設(shè)計(jì)學(xué)報(bào)，20102.三、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(jì)、工作原理、選用材質(zhì)和適用條件等。用三維畫圖軟件Soli

15、dWorks對下肢外骨骼機(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。2主要設(shè)計(jì)內(nèi)容 a. 下肢外骨骼三維建模設(shè)計(jì) b. 力學(xué)性能分析與校核 c. 選擇電機(jī)參數(shù)，構(gòu)思控制電路3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。針對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

16、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。4總體設(shè)計(jì)方案 外骨骼機(jī)器人大腿桿和小腿桿等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 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(jì)。 減速器和電機(jī)型號(hào)的選用與安裝固定。 確定各關(guān)節(jié)的連接方式。 編寫使用說明書。5. 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)生相對干涉。通過添加負(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）開題報(bào)告3設(shè)計(jì)工作和圖紙繪制280第4-10周（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11-14周（5.7-6.3）確定各結(jié)構(gòu)參數(shù)5撰寫設(shè)計(jì)說明書160第13-16周（5.21-6.17）設(shè)計(jì)說明書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