下肢健身外骨骼的設(shè)計與分析
下肢健身外骨骼的設(shè)計與分析,下肢,健身,骨骼,設(shè)計,分析
畢業(yè)設(shè)計(論文)開題報告
題目：下肢健身外骨骼的設(shè)計與析
開題報告填寫要求
1.開題報告作為畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯委員會對學(xué)生答辯資格審查的依據(jù)材料之一。此報告應(yīng)在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下，由學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計（論文）工作前期內(nèi)完成。
2.開題報告內(nèi)容必須按教務(wù)處統(tǒng)一設(shè)計的電子文檔標(biāo)準(zhǔn)格式（可從教務(wù)處網(wǎng)頁上下載）填寫并打?。ń勾蛴≡谄渌埳虾蠹糍N），完成后應(yīng)及時交給指導(dǎo)教師審閱。
3.開題報告字?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，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，“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.開題報告增加封面，封面格式：題目：宋體，加粗，二號；系別等內(nèi)容格式：宋體，四號，居中。
1.畢業(yè)設(shè)計（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：
能源是人類社會賴以生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)?？v觀人類社會發(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)和人類社會的發(fā)展。自2008年我國成功舉辦奧運(yùn)會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)測算每一個成年人鍛煉一小時消耗能量0.2kw·h。那么如果一個健身房有30臺這樣的設(shè)備每臺每天工作5小時，相當(dāng)于為國家節(jié)約0.324噸標(biāo)準(zhǔn)煤。這對于有多個連鎖分店的健身企業(yè)來說無疑是一個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)計旨在鍛煉學(xué)生運(yùn)用現(xiàn)代設(shè)計方法基本原理進(jìn)行設(shè)計和工程分析，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)動器、控制器和傳感器等組成。它利用人在運(yùn)動前肌肉會產(chǎn)生一種運(yùn)動趨勢(肌肉的收縮或擴(kuò)張) 的原理,通過測量外骨骼穿著者肌肉的肌電圖EMG(Myoelectricity)信號來獲得人類運(yùn)動趨勢信息作為最初的命令信號, 信號經(jīng)計算機(jī)處理, 使驅(qū)動器產(chǎn)生驅(qū)動力, 從而驅(qū)動外骨骼膝或踝關(guān)節(jié)運(yùn)動。HAL的研制是適應(yīng)日本社會老齡化的發(fā)展趨勢, 主要是為老年人或行走失調(diào)者而制作的一個幫助他們站立、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多個傳感器不斷地分析、測量負(fù)重和人的空間方位信息, 將測得的信號傳給計算機(jī), 經(jīng)計算機(jī)處理后發(fā)出控制信號, 驅(qū)動液壓傳動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。
新加坡南洋理工大學(xué)也致力于此方面的研究。他們設(shè)計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)大活動范圍和提高活動能力的下肢外骨骼。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)驗室試驗研究階段。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)容主要包括三個方面，下肢健身外骨骼的設(shè)計與分析：
A. 在設(shè)計方面要求依據(jù)設(shè)計參數(shù)，設(shè)計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)動中的變形量并對強(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)擺動最大角度：40°；腿肢膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動角度范圍：20°----85°；腿肢踝關(guān)節(jié)擺動最大角度：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)分析與對比分析，文獻(xiàn)分析與數(shù)理統(tǒng)計等方法，對我國全民健身服務(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。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)計做好充分的準(zhǔn)備。
4.完成本課題的工作方案及進(jìn)度計劃（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)計參數(shù)，設(shè)計方案，結(jié)構(gòu)。
第6--11周：建立實(shí)體裝配模型。對實(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
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