开题报告-助力式下肢外骨骼机器人的结构设计

开题报告课题名称 助力式下肢外骨骼机器人 的结构设计与分析 学 号 姓 名 专 业 指导教师 开题时间 年 月 日 一、立论依据1 本课题的目的和意义外骨骼是一种能提供对生物柔软内器官进行构型、建筑和保护的外部结构。外骨骼机器人是一种可穿戴式仿生机器人，既可穿戴在操作者身体外部的一种机械结构，它可以给穿戴者提供支撑、保护和增强运动能力。传统轮式交通工具是目前远行与负重的主要方式，而且它对路面环境要求较高，在很多领域仍然无法完成预定目标，例如在军事。科考、消防营救等领域。随着研究的深入发展，人们发现受现有控制方法和环境感知的局限，仿人型机器人有其严重的缺陷，包括决策能力和对人体的高度结合。因此将人的智能与机器人所具有强大的机械能量结合起来，综合为一个封闭系统，将会带来前所未有的变化，而外骨骼机器人正是这样一种综合体。研制助力式外骨骼机构为穿戴者提供充足的力量和耐力来增强长距离行走和负重能力，从而完成一些特殊任务。可穿戴式外骨骼机器人由于其自身的商业和军事应用价值，已经成为近年来国内外科学工作者的一个重点研究对象。在军事领域，单兵装备越来越先进，随之而产生的问题就是装备体积和重量的增加，通过穿戴外骨骼，士兵的装备重量可以通过外骨骼结构直接传递到地面，这让士兵背负重物灵活运动成为现实。借助外骨骼，士兵可轻松完成运送伤员、装填炮弹和长距离奔袭等任务，过程中又不会大量消耗士兵体能，从而成倍增强士兵的战斗力，真正成为战场上制胜的核心力量。此外，随着社会发展，我国已经成为世界上老年人口最多的国家。据联合国统计，到本世纪中期我国将有近5亿人口超过60岁，伴随着老年人各种生理功能的衰退和交通事故的不断增加，偏瘫、中风、截瘫等患者也不断增多，导致这类人群下肢出现运动功能障碍的现象，其生存质量急剧下降，使家庭和社会的负担越来越重。此时如果有外骨骼机器人的辅助，帮助老年人行走、上下楼梯和适当负重等，其一方面可以提高老年人的生活质量。另一方面可减少护理人员很大一部分工作量，从而缓解社会劳动力不足的压力。本文所涉及的外骨骼机器人是一种可穿戴的下肢外骨骼仿生机械腿，它可以把人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。本文设计的外骨骼，可以根据使用者自身的身体情况进行调节外骨骼。二、文献综述1 国内外研究现状、发展动态美国加州大学伯克利分校的人体工程实验室于2004年研制出世界上第一台配有移动电源，能够负重的下肢外骨骼机器人“伯克利下肢外骨骼”（Berkeley Lower Extremity Exoskeleton,BLEEX）。该装置包括两条金属腿、微型计算机、能量控制单元及背包式外架等结构。BLEEX在结构上采用拟人的设计方式，每条腿部结构在髋关节和踝关节各有3个自由度，膝关节有一个自由度。BLEEX下肢外骨骼上安装的多个传感器不断地将人的方位和负重信息传给计算机，计算机对此进行实时调整。2002年，日本筑波大学Cybemics实验室成功研制了HAL（Hybrid Assistive Limb），这是一种混合辅助肢体系列的可穿戴式助力机器人系统。它主要由无线LAN（局域网）系统、电池组、电机及减速器、传感器及执行机构组成，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。HAL通过收集腿部的肌电信号来判断穿戴者将要发生的运动状况。然后计算机对驱动系统发出指令，驱动装置驱动电机进行相应的运动。这款装置通过锂电池供电，正常运作时间为2小时40分。老年人或残疾人在它的辅助下能以每小时4千米的速度行走，毫不费力的上下楼梯。上臂最大可负重40kg，下肢最大可负重100-180kg。国内有关下肢外骨骼机器人的研究起步较晚，科研机构有限，相对于国外而言，在这方面仍处于初期阶段。近年来，随着社会需求的不断增长和科学技术的发展，外骨骼机器人的研究在国内也得到了越来越广泛的开展和重视，如浙江大学、中国科技大学、哈尔滨工程大学等，并取得了一些有价值的科研成果。在国家“863”计划和国家自然科学基金项目的资助下，中科院合肥智能机械研究所从2004年开始从事可穿戴式助力机器人方面的研究工作，采用理论研究、样机试制相结合的方式，对可穿戴式助力机器人的机构设计、步态控制等进行了分析，取得了一些成果，并成功研制出了一款可穿戴式下肢助力机器人。该机器人采用了类人结构，单侧具有五个自由度：髋关节有3个自由度，膝关节和踝关节各有一个自由度。“可穿戴式助力机器人”可利用多种传感器来感知人体下肢的运动意图，由伺服电机驱动关节运动，通过实时调整关节角度达到与人体相协调的运动且提供助力，从而降低人在长时间行走和重负荷情况下的运动强度。2 所阅文献的查阅范围及手段文献查阅网站：中国学术期刊网，东北大学图书馆电子资源，重庆维普数据库查阅范围：国内外期刊，博硕士论文，文献，报纸，会议，专利参考文献1尹军茂.穿戴式下肢外骨骼机构分析与设计D.北京：北京工业大学，20102杨志勇，张静，归丽华，张远山，等.外骨骼机器人控制方法综述J.海军航空工程学报，2009,24（5）：520-5253Sakurai T,Sankai Y,et al.Development of motion instruction system with interactive robot suit HALC.Proceedings of IEEE International Conferece on Robotics and Biomimetics,Japan:robotics and Biomimetics (ROBIO),2009:1141-11474Yoshiyuki Sankai.Wearing Type Behavior Help Device Calibration Device and Control Program:USA,201100432AIP.2011-01-065Yoshiyuki Sankai.Centroid Position Detector Device and Wearing Type Action Assistance Device Including Centroid Position Detector Device:USA,20100271051AIP.2010-10-286Kazerooni H,Steger R,Li H H.Hybrid Control of the Berkeley Lower Extremity Exoskeleton（BLEE）D.The International Journal of Robotics Research,2006.7陈锋.可穿戴型助力机器人技术研究D.中国科学技术大学博士学位论文，2007.58方郁.可穿戴下肢助力机器人动力学建模及其控制研究D.中国科学技术大学博士学位论文，2009.59Zhu Y,Zhang G,Zhang C,et al.Design and evaluation of a parallel-series elastic actuator for lower limb exoskeletonsC.Robotics and Automation(ICRA),2014 IEEE International Conference on.IEEE,2014:1335-1340.10张佳帆.基于柔性外骨骼人机智能系统基础理论及应用技术研究D.浙江：浙江大学，2009:38-48.11李秀梅.双足机器人仿生足部运动机构研究D.杭州：杭州电子科技大学，2010.12武明，季林红，金德闻等人体背部负重对于步态特性的影响及相应补偿策略的实验研究J生物医学工程学杂志2003；20（4）：574-579.13赵凌燕，张立勋，王岚测力鞋垫系统在步态研究中的应用测控技术2006,25（11）：38-41.14Conor James Walsh,Ken Endo，Hugh Herr，A quasi-passive leg exoskeleton for load-carrying augmentation，International Journal of Humanoid Robotics，Vol4，No3（2007）：487-506.15Bateni H，Heung E，Zettel J，etalCan use of walkers or canes impede lateral compensatory stepping moventsJGait Posture，2004，20（1）;74-83.16Cororan PJEffect of plastic and metal leg skeleton aped and energy cost of hemipartic ambulationJArch PhysMedRehatil，2003，51:69-77.17Rosen J，Brand M，Arcan M，A Myosignal-based Powered Exoskeleton SystemIEEE Transsctions on System，Man and Cybernetics，Part A，2001.18Adam Zoss，Kazerooni，H，Desgn of an electrically actuated lower extremity exoskeleton，Advanced Robotics，2006，v20（9）：967-988.19王正义足踝外科学M人民卫生出版社，2007:91-156.20张蕊，张佳帆，张文蔚可穿戴式柔性外骨骼人机智能系统安全性设计评价J机电工程，200812.21曹恒，贺成坤，孟宪伟，凌正阳下肢外骨骼服传感靴的结构优化分析J工程设计学报，20102.三、研究内容1课题的构想与思路 通过上网查阅资料以及查询硕博论文，了解下肢外骨骼的大致情况，包括各结构设计、工作原理、选用材质和适用条件等。用三维画图软件SolidWorks对下肢外骨骼机器人进行三维建模。在三维建模完成后实现运动分析并进行干涉检查。最后进行力学分析和构思整体控制电路。2主要设计内容 a. 下肢外骨骼三维建模设计 b. 力学性能分析与校核 c. 选择电机参数，构思控制电路3拟解决的关键技术机械结构及系统与穿戴者的协调统一。针对不同的使用人群和环境，将机构设计成高度和宽度可调节，可使不同使用对象舒服穿戴。遵循经济性原则，在设计完下肢外骨骼各结构后，又设计了一款可用于承受一定重物的背架，背架上留有一定的空间放置计算机控制组件及电池组，其余空间可放置重物，并用软绳固定。足部缓冲设计。普通平板足底可满足一般路况及正常情况下的行走，但是在崎岖路段和快走情况下行走产生的冲击和振动会使穿戴者感到不适和疲劳，因此本机构在足部设计了缓冲装置。4总体设计方案 外骨骼机器人大腿杆和小腿杆等结构设计。 髋关节、膝关节和踝关节等关节的设计。 减速器和电机型号的选用与安装固定。 确定各关节的连接方式。 编写使用说明书。5. 预期效果根据设计目标完成三维建模后，在SolidWorks中进行Motion运动分析，并导入人体模型。在关节处添加电机使之能按正常人行走且各结构不发生相对干涉。通过添加负载计算关节转动所需要的驱动力满足各材质的选择。四、工作计划序号阶段及内容工作量估计（时数）起止日期阶段成果形式1查阅资料拟定设计方案、论文选题40第1周（2.27-3.4）选题2查阅资料、构思设计方案80第2-3周（3.5-3.18）开题报告3设计工作和图纸绘制280第4-10周（3.19-5.6）图纸和中期检查报告4分析计算、校核强度160第11-14周（5.7-6.3）确定各结构参数5撰写设计说明书160第13-16周（5.21-6.17）设计说明书6毕业设计答辩第17周（拟定）（6.18-6.24）答辩合计工作量： 720小时1. 图纸一套，总计不少于四张A0图纸，其中包括：（1）下肢外骨骼机器人总装配图1张（A0） （2）人体模型穿戴下肢外骨骼机器人各种状态图1张（A0） （3）背板承物架部装图1张（A0） （4）谐波减速器装配图1张（A1） （5）足部缓冲器部装图1张（A1） （6）电机及减速器固定部装图1张（A2） （7）腰部零件图1张（A2） （6）大锥齿轮零件图1张（A3） （7）小锥齿轮零件图1张（A3） （8）关节轴零件图3张（A3）2. 设计说明书一份3. 外文翻译一篇五、评审意见指导教师对本课题的评价该生对所开课题进行了详细的调研，阅读了许多中外文献，所选定的课题具有一定的研究价值。选题合理，设计方案可行，同意开题。指导教师签名 年 月 日9