下肢助力外骨骼总体方案设计开题报告

1. 研究目的与意义

下肢外骨骼机器人作为一种可穿戴式的仿生助力机械，其系统的发展主要有两个分支，一种是辅助残疾人行走的康复型人体外骨骼，另一种是用于增强正常人体负荷能力的负重型人体外骨骼。

康复型下肢外骨骼在医疗领域使用，主要是用在辅助康复运动中。通过提供辅助技术来帮助患者步行，最大限度地提高患者的运动量，逐渐恢复由于疾病或者意外而失去的动力功能，从而改善使用者的生活质量。外骨骼机器人辅助物理治疗为人类上/下肢康复领域开辟了一条新的途径。

在军事领域，随着军事技术的发展，士兵们的装备越来越先进。单兵作为战争的主体，其携行需求越来越多。而人体的负重能力有限，这严重制约了士兵的携行能力及制动性。将外骨骼机器人引入作为军用装备，士兵可轻松完成装填炮弹、运送伤员和长距离奔袭等任务，过程中不会过多消耗士兵的体能，相反更能成倍地增强士兵的战斗力。让背负重物和活动灵活并存成为现实。

2. 课题关键问题和重难点

关键问题：1、出于对下肢助力外骨骼设计的通用性考虑，在腰部、大腿、小腿等部位都要设计可伸缩调整机构以满足使用者的穿戴需求。为追求设计的兼容性，对于尺寸的设计是一个难题。2、在研究外骨骼机器人控制问题中，必须与所选用的人机交互方式相结合。合理的人机交互检测方式是外骨骼进行稳定控制和提供助力的基础。所以要从运动学和动力学分析中，提取出外骨骼触地信息和人机交互力信息是有一定难度的。3、在下肢外骨骼整体设计完成后，对不同人体姿态的情况进行力学分析，选择合适的载荷，对外骨骼的重要零件进行极限强度校核。难点：1、对于下肢助力外骨骼的机构的设计，为了达到更好的人机协调性和负重能力。要结合不同的人体姿态下各关节的运动范围，对大腿杆和小腿杆的尺寸进行计算调整。尽可能减小系统质量和外形尺寸。2、对于运动控制研究，需要利用动力学方程，分辨出人机交互力中的可控变量和不可控量，以及保持平衡所需的人机交互力。

3. 国内外研究现状（文献综述）

1、国内外研究现状目前国内外对于外骨骼机器人及其相关技术的研究已经逐渐向产品化发展。在国际上，美国与日本对于外骨骼的研究较早，相应的外骨骼系统和算法的研究也较为深入。日本筑波大学的山海嘉之（yoshiyuki sankai）与cybernics实验室为了使行走不便或失去行走能力的病人和老年人脱离轮椅独立行走，开展对外骨骼机器人系统hal（hybrid assistive limb）的研制。1999年完成了初代hal的研发hal采用了角度传感器、肌电信号传感器和地面接触力传感器等传感设备，并且拥有混合控制系统，包括自动控制器进行诸如身体姿态的控制，以及基于生物力反馈和预测反馈的舒适助力控制器。而后研制出了hal-5。hal-5（见图1）系统是从实验室研究走向了现实应用，该系统对外形及动力方面进行了升级，通过关节和脚跟将部分重量传递到地面，并且提供的动力辅助足以补偿其本身的重量，且能够提供相应的动力，使穿戴者可以获得额外的负载能力。

加州大学伯克利分校于2004年成功研制了bleex（berkeley lower extremity exoskeleton) ——伯克利下肢外骨骼机器人（见图2）。bleex 系统采用液压驱动，每条bleex腿共有7个自由度，这包括髋关节3个、膝关节1个、踝关节3个，另外，为了调整人体下肢运动的协调，在腰带中部增加1个自由度。bleex系统可以携带 34 kg的负载，平均行进速度可以达到1.3 m/s。

第三代外骨骼系统hulc(human universal load carrier)(见图3)由加州大学伯克利分校同洛克西德 #8226;马丁公司联合研制并推向市场，其负载能力提升至90kg，。同时耐力方面也有了明显的提升，在负载36 kg并以0.9 m/s的速度行走时，可以减少15%的耐力消耗。hulc (human universal load carrier)的最高速度可以达到4.4 m/s。

图3hulc

4. 研究方案

外骨骼机器人是“人-机”一体化的系统，在设计过程中要充分考虑到机构的安全性、舒适性和穿戴及操作便捷性。机器人结构在能承受要求载荷的前提下，应该最大限度上地减小系统质量和外形尺寸。从穿戴的舒适度出发，在具体的细节设计上要符合人机工程学的设计理念。下肢助力外骨骼的机构组成包括上身部分、大小腿部分，以及脚部。

1、外骨骼机器人大腿杆和小腿杆机构设计

外骨骼腿杆结构尺寸设计取决于长度及围度参数。而人体各部分的长度与身高大约成一定的比例（如图1）。所以对于165-185cm的不同人体，大腿、小腿的长度差异大约为5-6cm。为了实现外骨骼机器人的通用性，在大腿和小腿部位设计可伸缩调整机构，将大腿杆和小腿杆分别作两段设计，在两段的边缘处打孔，利用插销实现可伸缩调整功能。初步将大腿杆长度设计为460-530mm，小腿杆为400-560m。

5. 工作计划

毕业设计前一学期末完成英文翻译，收集、查阅、文献资料并准备开题报告。

第一周完成英文翻译，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。

第二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”。完成电动巡逻车总体方案设计。