下肢健身外骨骼的設(shè)計(jì)
下肢健身外骨骼的設(shè)計(jì),下肢,健身,骨骼,設(shè)計(jì)
畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)開題報(bào)告
題目：下肢健身外骨骼的設(shè)計(jì)與析
開題報(bào)告填寫要求
1.開題報(bào)告作為畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯委員會(huì)對(duì)學(xué)生答辯資格審查的依據(jù)材料之一。此報(bào)告應(yīng)在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下，由學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）工作前期內(nèi)完成。
2.開題報(bào)告內(nèi)容必須按教務(wù)處統(tǒng)一設(shè)計(jì)的電子文檔標(biāo)準(zhǔn)格式（可從教務(wù)處網(wǎng)頁上下載）填寫并打印（禁止打印在其它紙上后剪貼），完成后應(yīng)及時(shí)交給指導(dǎo)教師審閱。
3.開題報(bào)告字?jǐn)?shù)應(yīng)在1500字以上，參考文獻(xiàn)應(yīng)不少于15篇（不包括辭典、手冊(cè)，其中外文文獻(xiàn)至少3篇），文中引用參考文獻(xiàn)處應(yīng)標(biāo)出文獻(xiàn)序號(hào)，“參考文獻(xiàn)”應(yīng)按附件中《參考文獻(xiàn)“注釋格式”》的要求書寫。
4.年、月、日的日期一律用阿拉伯?dāng)?shù)字書寫，例：“2008年11月26日”。
5.開題報(bào)告增加封面，封面格式：題目：宋體，加粗，二號(hào)；系別等內(nèi)容格式：宋體，四號(hào)，居中。
1.畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）綜述（題目背景、研究意義及國內(nèi)外相關(guān)研究情況）
1.1題目背景，研究意義：
能源是人類社會(huì)賴以生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)?？v觀人類社會(huì)發(fā)展的歷史，人類文明的每一次重大進(jìn)步都伴隨著能源的改進(jìn)和更替。能源的開發(fā)利用極大地推進(jìn)了世界經(jīng)濟(jì)和人類社會(huì)的發(fā)展。自2008年我國成功舉辦奧運(yùn)會(huì)后健身在我國越來越流行健身房如雨后春筍般在我國發(fā)展，這是我國健身行業(yè)發(fā)展最強(qiáng)有力的后盾。根據(jù)測(cè)算每一個(gè)成年人鍛煉一小時(shí)消耗能量0.2kw·h。那么如果一個(gè)健身房有30臺(tái)這樣的設(shè)備每臺(tái)每天工作5小時(shí)，相當(dāng)于為國家節(jié)約0.324噸標(biāo)準(zhǔn)煤。這對(duì)于有多個(gè)連鎖分店的健身企業(yè)來說無疑是一個(gè)最為有效和最為簡便的降低健身房的能源成本的方法。通過該設(shè)計(jì)旨在鍛煉學(xué)生運(yùn)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法基本原理進(jìn)行設(shè)計(jì)和工程分析，使學(xué)生受到機(jī)械工程師基本訓(xùn)練。
1.2人體下肢外骨骼國內(nèi)外研究發(fā)展?fàn)顩r
人體下肢外骨骼是由20世紀(jì)60年代開始研制的全身外骨骼分支而來, 由于全身外骨骼研究的難度及上、下肢外骨骼在研究目的、技術(shù)上存在較大的差異, 外骨骼分支分為上肢外骨骼與下肢外骨骼兩個(gè)研究方向。上肢外骨骼研究的進(jìn)程較快,很快有了成型產(chǎn)品并得到了應(yīng)用。
下肢外骨骼研究經(jīng)過一段時(shí)間的沉寂之后, 于20世紀(jì)末也廣泛地開展起來。比如密西根大學(xué)研制的用于輔助人行走的機(jī)器膝。Lokomat等人設(shè)計(jì)了用于病人腿部復(fù)原的下肢外骨骼; 美國猶他州Sacros公司研制的/ 外部骨架0等。由于技術(shù)等原因, 這些裝置都沒能被成功地應(yīng)用于實(shí)踐, 但他們提供的算法為外骨骼的進(jìn)一步研究、積累經(jīng)驗(yàn)和開拓思路做出了巨大貢獻(xiàn)。21世紀(jì), 下肢外骨骼又重新得到世界各國的關(guān)注, 美國、日本、俄羅斯、以色列、新加坡及中國都積極地投入到研究中,而且取得了一些成果。下面分別介紹一些在下肢外骨骼方面比較成熟的研究成果。
HAL(Hybrid Assistive Limb)系列產(chǎn)品(HAL,HAL-3)是日本筑波大學(xué)研制的外骨骼裝置,HAL由外骨骼、驅(qū)動(dòng)器、控制器和傳感器等組成。它利用人在運(yùn)動(dòng)前肌肉會(huì)產(chǎn)生一種運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)(肌肉的收縮或擴(kuò)張) 的原理,通過測(cè)量外骨骼穿著者肌肉的肌電圖EMG(Myoelectricity)信號(hào)來獲得人類運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)信息作為最初的命令信號(hào), 信號(hào)經(jīng)計(jì)算機(jī)處理, 使驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力, 從而驅(qū)動(dòng)外骨骼膝或踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。HAL的研制是適應(yīng)日本社會(huì)老齡化的發(fā)展趨勢(shì), 主要是為老年人或行走失調(diào)者而制作的一個(gè)幫助他們站立、行走的下肢輔助外骨骼裝置, 但它不能承受巨大載荷。
美國加州大學(xué)伯克利分校研制的人體下肢外骨骼(Berkeley Lower Extremity Exoskeleton, BLEEX)由兩條金屬腿、計(jì)算機(jī)及能量控制單元, 以及后背架等組成。外骨骼上安裝的40多個(gè)傳感器不斷地分析、測(cè)量負(fù)重和人的空間方位信息, 將測(cè)得的信號(hào)傳給計(jì)算機(jī), 經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后發(fā)出控制信號(hào), 驅(qū)動(dòng)液壓傳動(dòng)裝置使外骨骼與人同步行走并保持外骨骼與人體的平衡。士兵穿著它身負(fù)28 kg 的背囊可以像背2kg物體那樣輕松。該裝置研制的目的是既可用于戰(zhàn)場(chǎng)的士兵背負(fù)重物行軍, 又可用于其他的負(fù)重長途行走。與日本在下肢外骨骼研制方面不同的是, 它通過測(cè)量外骨骼本身的數(shù)據(jù)來控制下肢外骨骼而不是利用EMG信號(hào)。
新加坡南洋理工大學(xué)也致力于此方面的研究。他們?cè)O(shè)計(jì)的下肢外骨骼不能承受巨大載荷。韓國也在開發(fā)研制為老年人擴(kuò)大活動(dòng)范圍和提高活動(dòng)能力的下肢外骨骼。俄羅斯則將承載下肢外骨骼裝置作為單兵系統(tǒng)的重要部分進(jìn)行研究。
在下肢外骨骼的研究方面, 美國處于領(lǐng)先水平, 但仍處在實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)研究階段。其中許多關(guān)鍵技術(shù)還處于探索與研究之中, 最終目的是使人體下肢外骨骼實(shí)現(xiàn)有效的控制, 實(shí)現(xiàn)快速行走、跑、跳、蹲、跨步, 能夠人機(jī)有效的合一, 機(jī)器與人之間的柔順和諧。如何使得外骨骼材料輕便, 驅(qū)動(dòng)裝置體積小、能量大且無沖擊、讓人的感覺更舒適等問題則仍舊是研究中需要攻克的難題。
2.本課題研究的主要內(nèi)容和擬采用的研究方案、研究方法或措施
2.1本課題研究的主要內(nèi)容
題目內(nèi)容主要包括三個(gè)方面，下肢健身外骨骼的設(shè)計(jì)與分析：
A. 在設(shè)計(jì)方面要求依據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)，設(shè)計(jì)下肢健身外骨骼的方案，結(jié)構(gòu)。
B. 在建模方面要求建立下肢健身外骨骼的實(shí)體裝配模型。對(duì)實(shí)體裝配模型進(jìn)行工程簡化。
C. 在工程分析方面要求合理確定約束條件，分析下肢健身外骨骼在運(yùn)動(dòng)中的變形量并對(duì)強(qiáng)度進(jìn)行校核。
D. 下肢健身外骨骼總重：2.8kg；腿肢長度范圍：965----1085 mm；腿肢髖關(guān)節(jié)擺動(dòng)最大角度：40°；腿肢膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)角度范圍：20°----85°；腿肢踝關(guān)節(jié)擺動(dòng)最大角度：40°；腿肢彈簧負(fù)載范圍：-75N----+75N；腿肢彈簧可調(diào)力范圍：0N----40N；適用身高范圍：155----180cm。
2.2研究方案
外骨骼研究的關(guān)鍵性技術(shù)分析與研究
(1)步態(tài)分析
(2)步態(tài)穩(wěn)定性控制
(3)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)
(4)同步行走控制
2.3 研究方法或措施
研究運(yùn)用需求和公共供求關(guān)系等基礎(chǔ)理論，通過理論分析與實(shí)證分析，系統(tǒng)分析與對(duì)比分析，文獻(xiàn)分析與數(shù)理統(tǒng)計(jì)等方法，對(duì)我國全民健身服務(wù)體系的基本理論進(jìn)行了系統(tǒng)總結(jié)與現(xiàn)實(shí)考證。
為了實(shí)現(xiàn)人的智能與機(jī)械的力量之間的結(jié)合, 使人具備機(jī)械的力量、速度和耐力, 正在設(shè)計(jì)用于實(shí)現(xiàn)負(fù)荷行走功能的下肢外骨骼。機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是下肢外骨骼系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。首先基于人體行走的生物學(xué)特征, 闡述了下肢外骨骼機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法。
3.本課題研究的重點(diǎn)及難點(diǎn)，前期已開展工作
本課題的重點(diǎn)是：了解人體下肢健身的全部肌肉群以及如何健身。
難點(diǎn)是：下肢外骨骼系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)是機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。首先基于人體行走的生物學(xué)特征, 闡述了下肢外骨骼機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法。
前期已開展工作：了解下肢外骨骼是一種新型的具有可穿戴性能的機(jī)械裝置。它設(shè)計(jì)的基本思想是結(jié)合人的智能與機(jī)械的力量, 強(qiáng)調(diào)人機(jī)之間的交互與配合；并為進(jìn)一步周密的設(shè)計(jì)做好充分的準(zhǔn)備。
4.完成本課題的工作方案及進(jìn)度計(jì)劃（按周次填寫）。
第1周：收集資料，借閱參考書，下載相關(guān)英文文獻(xiàn)。
第2--6周：要求依據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)，設(shè)計(jì)方案，結(jié)構(gòu)。
第6--11周：建立實(shí)體裝配模型。對(duì)實(shí)體裝配模型進(jìn)行工程簡化。
第11--13周：要求合理確定約束條件，分析變形量并對(duì)強(qiáng)度進(jìn)行校核。
第13--15周：分析結(jié)論撰寫論文。
指導(dǎo)教師意見（對(duì)課題的深度、廣度及工作量的意見）
指導(dǎo)教師： 年 月 日
所在系審查意見：
系主管領(lǐng)導(dǎo)： 年 月 日
參考文獻(xiàn)
[1] 李宗述.當(dāng)前全民健身存在主要問題及解決途徑[J].成都體育學(xué)院學(xué)報(bào), 2000, 26( 2) :
12-14.
[2] 肖其森.對(duì)我國體育市場(chǎng)及運(yùn)行現(xiàn)狀分析[J].體育學(xué)刊,1998(4):65--66.
[3] 陳鷹,楊燦軍.人機(jī)智能系統(tǒng)理論與方法[M].杭州:浙江大學(xué)出版社, 2006.
[4] 李宗述.當(dāng)前全民健身存在主要問題及解決途徑[J].成都體育學(xué)院學(xué)報(bào), 2000,26(2):12-14.
[5] 清化同方.虛擬現(xiàn)實(shí)與系統(tǒng)仿真[DB/OL] .http: / /www.nuist.edu.cn /courses/jsj/GD_ jsj _ 011b/text /chapter2/sec1/part2/l8.htm,2007.
[6] 中國公眾科技.能搬運(yùn)100 kg重物的/外部骨架0 [DB/OL].周道其,譯.
[7] 鄭秀瑗.現(xiàn)代運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)[M].北京:國防工業(yè)出版社,2002.
[8] 殷晨波,周慶敏,徐海涵,等.基于虛擬零力矩點(diǎn)FZMP的擬人機(jī)器人行走穩(wěn)定性仿[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào), 2006(9):2593-2597.
[9] 陳鷹,楊燦軍.人機(jī)智能系統(tǒng)理論與方法[M].杭州:浙江大學(xué)出版社, 2006.
[10]盧元鎮(zhèn),全民健身與生活方式[M].北京北京體育大學(xué)出版社,2002;21
[11]李淑娥,西安市大眾健康狀況及體育行為的社會(huì)學(xué)分析[J].體育科學(xué),2002,22（60）;73-74
[12]熊斗寅.從國際大眾體育發(fā)展趨勢(shì)展望我國全民健身計(jì)劃的發(fā)展前景[J].體育科學(xué),1998 18(2):22-25.
[13] Kazerooni H. Human-robot interaction via transfer of power and information signals[J]. IEEE Trans. on Systems and Cybernetics,1990,20(2): 42-49.
[14]Jean - Lou is Charles Racine. Control of a Lower Extremity Exoskeleton for Hum an Performance Amplification [D].USA:University
[15]Andrew Chu, H K azerooni and Adam Zoss. On the Biomimetic Design of the Berkeley Lower Extremity Exoskeleton(BLEEX)[C].Proceedings of the 2005 IEEE International Conference on Robotics and Automation,2005.4345-4352.
3
收藏