下肢助力外骨骼关节设计与仿真开题报告

1. 研究目的与意义

外骨骼机器人的开发与研究的目的是为了增强拓展人类的能力。就像汽车的出现是人类提高运动能力需求的结果，望远镜是对了提高人的视觉能力，计算机则提高了人类的计算分析能力，外骨骼机器人是为了提高人类的承载能力，使人能背负重物远程行走。在高山密林地势险峻地带，机械车辆不能运行，或者是不利于轮式装置的阶梯型地带，重物就需要人来背负。而穿上外骨骼机器人背负重物远行不再是不可解决的难题。

人体下肢外骨骼，既能做民用辅具，也可以作为军用装备。下肢外骨骼可以协助可帮助消防队员在消防救火中背负沉重的消防器材、帮助建筑工人搬运重物，也可以帮助部队完成负重急行军任务。例如美国研发的行走外骨骼装置“spring walker”能够使佩戴者最高行走速度达56公里/小时，不论是在军用还是民用方面都有相当大的用途和前景。

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。

2. 课题关键问题和重难点

本课题主要解决的关键问题有：

1.需要确定各关节自由度的运动范围

人体下肢各自由度运动决定了外骨骼各自由度的运动。外骨骼各自由度的运动范围一般不能大于人体各自由度所能活动的最大范围，尤其是髋关节和膝关节屈伸自由度，绝对不能大于人体活动范围，否则就有可能对人体造成很大伤害。外骨骼矢状面内的运动范围略大于人体正常行走运动范围。同时设置其他关节自由度，是为了实现转弯、下蹲、爬行等动作，同时满足能应用于复杂环境的设计要求。

3. 国内外研究现状（文献综述）

下肢外骨骼机器人在欧美和日本等发达国家得到了医疗机构和科研工作者的高度重视，如:

2002年，日本筑波大学cybemics实验室成功研制了hal (hybrid assistivelimb）外骨骼机器人系统，hal是一种混合辅助下肢体系列的可穿戴型外骨骼机器人系统，如图1所示。主要面向高龄护理、残疾人辅助、消防及警察等危险作业的用途。它主要由无线lan（局域网）系统、电池组、电机及减速器、传感器(地板反应力传感器、表面肌电传感器、角度传感器)执行机构等组成，动力传动采用电机-减速器-外骨骼机构的方法。能够根据人体的动作意愿自动调整装置的助力大小。

4. 研究方案

1.人体下肢运动机理研究：

人体下肢骨由盆带骨和游离下肢骨组成，以髋、膝和踝三个关节连接。（1）髋关节 人体下肢髋关节是由髋骨的髋臼及股骨头构成，形状上可以看做一个球窝关节。其辅助结构主要包括关节孟、髂骨韧带、耻骨囊韧带和坐骨囊韧带。（2）膝关节 膝关节是人体最复杂的一个关节，由股骨髁关节面、胫骨髁关节面、髌面共同组成。总体来看膝关节的接触关节面是椭圆形的，股骨髌面呈髁状，这样就构成一个髁状关节。（3）踝关节 是一个踝状关节，它由内外髁关节面、胫骨下关节面构成的关节窝和距骨上面的关节面连接形成。通过分析人体下肢三个关节结构特征，可以看出人体可绕人体三条轴共做7种运动，分别是髋关节的屈伸、内收外展、旋转和环转运动，膝关节的屈伸运动，以及踝关节的屈伸、外展内收及旋转运动。如图1

5. 工作计划

第1周完成英文翻译，提交英文翻译给指导老师批阅。英文翻译经指导老师批阅合格并确认后，译文和原文均上传至“毕业设计管理系统”,译文封面用标准模板。查阅文献资料，撰写开题报告。

第2周开题报告经指导老师批阅合格并确认后，开题报告封面用标准模板，上传至“毕业设计管理系统”。第3周对各关节进行运动分析，计算出各关节的活动范围，完成助力器的初步设计。第4周绘制出各关节的草图。第5周将所有零件进行建模。