開題報告-助力式下肢外骨骼機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計.docx

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1、開題報告 課題名稱助力式下肢外骨骼機器人課題的構(gòu)想與思路 的結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析 學(xué) 號_ 姓 名_ 專 業(yè)_ 指導(dǎo)教師_ 開題時間 年 月 日 通過上網(wǎng)查閱資料以及查詢碩博論文，了解下肢外骨骼的大致情況，包括各結(jié)構(gòu)設(shè)計、 工作原理、選用材質(zhì)和適用條件等。用三維畫圖軟件SolidWorks對下肢外骨骼機器人進行三 維建模。在三維建模完成后實現(xiàn)運動分析并進行干涉檢查。最后進行力學(xué)分析和構(gòu)思整體控 制電路。 1. 主要設(shè)計內(nèi)容下肢外骨骼三維建模設(shè)計 a. 力學(xué)性能分析與校核選擇電機參數(shù)，構(gòu)思控制電路 2. 擬解決的關(guān)鍵技術(shù) 機械結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)與穿戴者的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。針

2、對不同的使用人群和環(huán)境，將機構(gòu)設(shè)計成高度 和寬度可調(diào)節(jié)，可使不同使用對象舒服穿戴。 遵循經(jīng)濟性原則，在設(shè)計完下肢外骨骼各結(jié)構(gòu)后，又設(shè)計了一款可用于承受一定重物的 背架，背架上留有一定的空間放置計算機控制組件及電池組，其余空間可放置重物，并用軟 繩固定。 足部緩沖設(shè)計。普通平板足底可滿足一般路況及正常情況下的行走，但是在崎嶇路段和 快走情況下行走產(chǎn)生的沖擊和振動會使穿戴者感到不適和疲勞，因此本機構(gòu)在足部設(shè)計了緩 沖裝置。 3. 總體設(shè)計方案 ① 外骨骼機器人大腿桿和小腿桿等結(jié)構(gòu)設(shè)計。 ② 髏關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)等關(guān)節(jié)的設(shè)計。 ③ 減速器和電機型號的選用與安裝固定。 ④ 確定各關(guān)節(jié)的

3、連接方式。 ⑤ 編寫使用說明書。 4. 預(yù)期效果 根據(jù)設(shè)計目標完成三維建模后，在SolidWorks中進行Motion運動分析，并導(dǎo)入人體模 型。在關(guān)節(jié)處添加電機使之能按正常人行走且各結(jié)構(gòu)不發(fā)生相對干涉。通過添加負載計算關(guān) 節(jié)轉(zhuǎn)動所需要的驅(qū)動力滿足各材質(zhì)的選擇。 四、工作計劃 序號 階段及內(nèi)容 工作量估計 (時數(shù)) 起止日期 階段成果形式 1 查閱資料擬定設(shè)計方案、論文選題 40 第1周 (2. 27-3.4) 選題 2 查閱資料、構(gòu)思設(shè)計方案 80 第2-3周 (3. 5-3. 18) 開題報告 3 設(shè)計工作和圖紙繪制 280 第4-10周

4、 (3. 19-5.6) 圖紙和中期檢查 報告 4 分析計算、校核強度 160 第11T4周 (5. 7-6.3) 確定各結(jié)構(gòu)參數(shù) 5 撰寫設(shè)計說明書 160 第13-16周 (5.21-6. 17) 設(shè)計說明書 6 畢業(yè)設(shè)計答辯 第17周 (擬定) (6. 18-6. 24) 答辯 合計工作量：720小時 1. 圖紙一套，總計不少于四張A0圖紙，其中包括： (1) 下肢外骨骼機器人總裝配圖1張(A0) (2) 人體模型穿戴下肢外骨骼機器人各種狀態(tài)圖1張(A0) (3) 背板承物架部裝圖1張(A0) (4) 諧波減速器裝配圖1張(A1) (

5、5) 足部緩沖器部裝圖1張(A1) (6) 電機及減速器固定部裝圖1張(A2) (7) 腰部零件圖1張(A2) (6) 大錐齒輪零件圖1張(A3) (7) 小錐齒輪零件圖1張(A3) (8) 關(guān)節(jié)軸零件圖3張(A3) 2. 設(shè)計說明書一份 3. 外文翻譯一篇 五、評審意見指導(dǎo)教師對本課題的評價 該生對所開課題進行了詳細的調(diào)研，閱讀了許多中外文獻，所選定的課題具有一定的研究 價值。 選題合理，設(shè)計方案可行，同意開題。 指導(dǎo)教師簽名 年 月 日 —、立論依據(jù) 1. 本課題的目的和意義 外骨骼是一種能提供對生物柔軟內(nèi)器官進行構(gòu)型、建筑和保護的外部結(jié)構(gòu)。外骨骼機器 人是一種

6、可穿戴式仿生機器人，既可穿戴在操作者身體外部的一種機械結(jié)構(gòu)，它可以給穿戴 者提供支撐、保護和增強運動能力。傳統(tǒng)輪式交通工具是目前遠行與負重的主要方式，而且 它對路面環(huán)境要求較高，在很多領(lǐng)域仍然無法完成預(yù)定目標，例如在軍事。科考、消防營救 等領(lǐng)域。隨著研究的深入發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)受現(xiàn)有控制方法和環(huán)境感知的局限，仿人型機器人 有其嚴重的缺陷，包括決策能力和對人體的高度結(jié)合。因此將人的智能與機器人所具有強大 的機械能量結(jié)合起來，綜合為一個封閉系統(tǒng)，將會帶來前所未有的變化，而外骨骼機器人正 是這樣一種綜合體。研制助力式外骨骼機構(gòu)為穿戴者提供充足的力量和耐力來增強長距離行 走和負重能力，從而完成一些特殊任務(wù)

7、。可穿戴式外骨骼機器人由于其自身的商業(yè)和軍事應(yīng) 用價值，已經(jīng)成為近年來國內(nèi)外科學(xué)工作者的一個重點研究對象。 在軍事領(lǐng)域，單兵裝備越來越先進，隨之而產(chǎn)生的問題就是裝備體積和重量的增加，通 過穿戴外骨骼，士兵的裝備重量可以通過外骨骼結(jié)構(gòu)直接傳遞到地面，這讓士兵背負重物靈 活運動成為現(xiàn)實。借助外骨骼，士兵可輕松完成運送傷員、裝填炮彈和長距離奔襲等任務(wù)， 過程中又不會大量消耗士兵體能，從而成倍增強士兵的戰(zhàn)斗力，真正成為戰(zhàn)場上制勝的核心 力量。此外，隨著社會發(fā)展，我國己經(jīng)成為世界上老年人口最多的國家。據(jù)聯(lián)合國統(tǒng)計，到 本世紀中期我國將有近5億人口超過60歲，伴隨著老年人各種生理功能的衰退和交通事故的

8、不斷增加，偏癱、中風(fēng)、截癱等患者也不斷增多，導(dǎo)致這類人群下肢出現(xiàn)運動功能障礙的現(xiàn) 象，其生存質(zhì)量急劇下降，使家庭和社會的負擔(dān)越來越重。此時如果有外骨骼機器人的輔助, 幫助老年人行走、上下樓梯和適當負重等，其一方面可以提高老年人的生活質(zhì)量。另一方面 可減少護理人員很大一部分工作量，從而緩解社會勞動力不足的壓力。 本文所涉及的外骨骼機器人是一種可穿戴的下肢外骨骼仿生機械腿，它可以把人和機械 腿有機的結(jié)合起來，以人為中心，根據(jù)穿戴者的意愿來控制機器的行走，同時提高穿戴者搬 運重物和行走的能力。本文設(shè)計的外骨骼，可以根據(jù)使用者自身的身體情況進行調(diào)節(jié)外骨骼。 二、文獻綜述國內(nèi)外研究現(xiàn)狀' 發(fā)展動態(tài)

9、 美國加州大學(xué)伯克利分校的人體工程實驗室于2004年研制出世界上第一臺配有移動電 源，能夠負重的下肢外骨骼機器人“伯克利下肢外骨骼"(Berkeley Lower Extremity Exoskeleton, BLEEX)。該裝置包括兩條金屬腿、微型計算機、能量控制單元及背包式外架等 結(jié)構(gòu)。BLEEX在結(jié)構(gòu)上采用擬人的設(shè)計方式，每條腿部結(jié)構(gòu)在髓關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)各有3個自由 度，膝關(guān)節(jié)有一個自由度。BLEEX下肢外骨骼上安裝的多個傳感器不斷地將人的方位和負重 信息傳給計算機，計算機對此進行實時調(diào)整。 2002年，日本筑波大學(xué)Cybemics實驗室成功研制了 HAL (Hybrid Assistiv

10、e Limb),這 是一種混合輔助肢體系列的可穿戴式助力機器人系統(tǒng)。它主要由無線LAN (局域網(wǎng))系統(tǒng)、 電池組、電機及減速器、傳感器及執(zhí)行機構(gòu)組成，動力傳動采用電機-減速器-外骨骼機構(gòu)的 方法。能夠根據(jù)人體的動作意愿自動調(diào)整裝置的助力大小。HAL通過收集腿部的肌電信號來 判斷穿戴者將要發(fā)生的運動狀況。然后計算機對驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)出指令，驅(qū)動裝置驅(qū)動電機進行 相應(yīng)的運動。這款裝置通過鋰電池供電，正常運作時間為2小時40分。老年人或殘疾人在它 的輔助下能以每小時4千米的速度行走，毫不費力的上下樓梯。上臂最大可負重40kg,下肢 最大可負重100-180kgo 國內(nèi)有關(guān)下肢外骨骼機器人的研究起步較晚，

11、科研機構(gòu)有限，相對于國外而言，在這方 面仍處于初期階段。近年來，隨著社會需求的不斷增長和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，外骨骼機器人的 研究在國內(nèi)也得到了越來越廣泛的開展和重視，如浙江大學(xué)、中國科技大學(xué)、哈爾濱工程大 學(xué)等，并取得了一些有價值的科研成果。 在國家“863”計劃和國家自然科學(xué)基金項目的資助下，中科院合肥智能機械研究所從 2004年開始從事可穿戴式助力機器人方面的研究工作，采用理論研究、樣機試制相結(jié)合的方 式，對可穿戴式助力機器人的機構(gòu)設(shè)計、步態(tài)控制等進行了分析，取得了一些成果，并成功 研制出了一款可穿戴式下肢助力機器人。該機器人采用了類人結(jié)構(gòu)，單側(cè)具有五個自由度： 甑關(guān)節(jié)有3個自由度，膝關(guān)節(jié)和

12、踝關(guān)節(jié)各有一個自由度?！翱纱┐魇街C器人”可利用多種 傳感器來感知人體下肢的運動意圖，由伺服電機驅(qū)動關(guān)節(jié)運動，通過實時調(diào)整關(guān)節(jié)角度達到 與人體相協(xié)調(diào)的運動且提供助力，從而降低人在長時間行走和重負荷情況下的運動強度。 2, 所閱文獻的查閱范圍及手段文獻查閱網(wǎng)站：中國學(xué)術(shù)期刊網(wǎng)，東北大學(xué)圖書館電子資源，重慶維普數(shù)據(jù)庫 查閱范圍：國內(nèi)外期刊，博碩士論文，文獻，報紙，會議，專利 參考文獻 [1] 尹軍茂.穿戴式下肢外骨骼機構(gòu)分析與設(shè)計[D].北京：北京工業(yè)大學(xué)，2010楊志勇，張靜，歸麗華，張遠山，等.外骨骼機器人控制方法綜述[J].海軍航空工程學(xué)報, 2009,24 (5)： 520-52

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