下肢可穿戴外骨骼機(jī)器人仿人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)控制研究任務(wù)書

下肢可穿戴外骨骼機(jī)器人仿人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)控制研究任務(wù)書任務(wù)書一、任務(wù)背景近年來(lái)，機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)逐漸引起了人們的關(guān)注。隨著社會(huì)的進(jìn)步和科技的不斷發(fā)展，機(jī)器人逐漸成為了人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢扇鄙俚囊徊糠?。尤其是外骨骼機(jī)器人技術(shù)的快速發(fā)展，為殘障人士帶來(lái)了極大的福利，使他們能夠更加自由地參與到社會(huì)中來(lái)。其中，下肢可穿戴外骨骼機(jī)器人作為當(dāng)前研究的熱門方向，已成為了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界研究的重點(diǎn)。本文旨在研究下肢可穿戴外骨骼機(jī)器人的仿人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)以及運(yùn)動(dòng)控制，為下一步的研究和開發(fā)提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。二、研究?jī)?nèi)容（一）下肢可穿戴外骨骼機(jī)器人仿人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)1、下肢骨架設(shè)計(jì)：根據(jù)人的下肢骨骼結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)機(jī)器人的下肢骨架結(jié)構(gòu)，包括髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)等。2、能量傳遞機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)機(jī)器人的電機(jī)、減速器、傳動(dòng)齒輪等能量傳遞機(jī)構(gòu)，使其能夠快速、平穩(wěn)地運(yùn)動(dòng)。3、力傳遞機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)機(jī)器人的油壓系統(tǒng)、氣壓系統(tǒng)等力傳遞機(jī)構(gòu)，使其能夠提供充足的動(dòng)力支持，以達(dá)到更好的運(yùn)動(dòng)效果。4、傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)機(jī)器人的陀螺儀、加速度計(jì)、壓力傳感器等傳感器系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)姿態(tài)穩(wěn)定控制和步態(tài)控制。（二）下肢可穿戴外骨骼機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制1、姿態(tài)穩(wěn)定控制：利用傳感器信息對(duì)機(jī)器人進(jìn)行姿態(tài)穩(wěn)定控制，保證機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)時(shí)的穩(wěn)定性。2、步態(tài)控制：研究機(jī)器人的步態(tài)控制算法，將其運(yùn)動(dòng)軌跡與人類步態(tài)相匹配，使機(jī)器人能夠自然、流暢地行走。3、交互控制：研究機(jī)器人的交互控制算法，使機(jī)器人能夠自適應(yīng)地適應(yīng)不同的環(huán)境和不同的人類行為，提高機(jī)器人的智能化程度。三、研究方法（一）仿人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)1、基于醫(yī)學(xué)圖像學(xué)對(duì)人體運(yùn)動(dòng)學(xué)特性進(jìn)行研究。2、基于有限元分析對(duì)機(jī)器人結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析和優(yōu)化。3、采用CAD、Solidworks等軟件對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行三維建模，制作出實(shí)體模型。（二）運(yùn)動(dòng)控制1、利用Matlab對(duì)機(jī)器人的軌跡規(guī)劃進(jìn)行研究和仿真分析。2、使用C++或Matlab等語(yǔ)言開發(fā)控制程序，并通過(guò)底層控制器將控制信號(hào)發(fā)送到硬件上。3、采用ROS形成的軟件平臺(tái)，通過(guò)數(shù)據(jù)的共享和通信實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的控制和調(diào)試。四、預(yù)期成果（一）下肢可穿戴外骨骼機(jī)器人仿人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)1、設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)精致、性能穩(wěn)定、操作便捷的下肢可穿戴外骨骼機(jī)器人。2、建立完整的仿人機(jī)構(gòu)三維模型，為下一步的制造提供完整的殼體和動(dòng)力系統(tǒng)。（二）下肢可穿戴外骨骼機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制1、成功實(shí)現(xiàn)步態(tài)控制和姿態(tài)穩(wěn)定控制。2、將交互控制算法運(yùn)用到機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制中，提高機(jī)器人的智能化水平。3、設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)完善的跌倒檢測(cè)和保護(hù)機(jī)制。五、進(jìn)度計(jì)劃（一）下肢可穿戴外骨骼機(jī)器人仿人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)1、任務(wù)分解和計(jì)劃制訂。2、相關(guān)理論研究和文獻(xiàn)調(diào)研。3、下肢骨架設(shè)計(jì)和動(dòng)力系統(tǒng)優(yōu)化。4、實(shí)體模型制作和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。（二）下肢可穿戴外骨骼機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制1、姿態(tài)穩(wěn)定控制算法研究和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。2、步態(tài)控制算法研究和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。3、交互控制算法研究和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。4、跌倒檢測(cè)和保護(hù)機(jī)制設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。六、參考文獻(xiàn)1.LiZ,HouZG,WeiQ,etal.Human-likeenergy-efficientwalkingforahumanoidrobotwithatwo-levelcontrolstructure.RoboticsandAutonomousSystems,2015,70:83-92.2.ZhangK,YanC,NiuM,etal.Areviewofcyber-physicalsystemsinlowerlimbexoskeletonsforparaplegiarehabilitation.Cyber-PhysicalSystems,2016,2(1-2):24-37.3.ZhangZ,GuX,SongA,etal.Analysisanddesignofalower-limbexoskeletonrehabilitationrobot.InternationalJournalofControl,Automation,andSystems,2015,13(4):795-804.4.ZhangZ,GuX,LiY,etal.Designandcontrolofapo