开题报告,吴智伟,1101510331,改

　毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告

　1．结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写

　2000 字左右的文献综述：

　文 献 综 述

　一、课题的研究目的及意义 在现在的科技化的时代浪潮下，随着科技的不断发展，人们都希望自己能够拥有强大的下肢力量在生活中更加便捷；一些人先天或后天残疾，行走不便，人们就产生了通过发展外部设备让这些人重新拥有自主行走的能力；随着人口老龄化，老年人更需要下肢力量的增强来进行便捷的生活；科学技术的发展，使现代化的单兵装备越来越复杂，这不可避免地要求士兵携带越来越重的装备。这些复杂的单兵设备便会成为士兵的负担，如果单凭士兵自己携带全部的装备，必将对他们的体能构成巨大的威胁，从而影响他们的作战能力。因此，长久以来，各国都投入了大量精力在单兵背负机构上，希望能够提高士兵的作战持久能力，研制更符合人体工程学原理的负重装置，人机一体化的下肢外骨骼恰恰能够大大减轻承载过重的士兵负担。这些装备的成功装备将提升士兵的作战力。下肢外骨骼不仅适用于士兵户外作战，也可以为救灾人员、森林防火战士以及其他急救人员携带重要负载，如食品、救援设备、急救用品、通讯设备和武器，而使用者不用负担相关的体力劳动。这样将能够大幅提升使用者的各方面能力。从而得到更好的效果，实现设计目的[1] 。

　人体下肢外骨骼就是一种可以去帮助人们扩展下肢运动能力的装置，能够使人在负重荷或长时间行走的情况下，降低运动强度，帮助相关人士达到行走的目的；对那些有异样运动行为的人提供治疗和帮助等功效。它的优越性在于支撑、防护、运动三项功能的紧密结合[2] 。该项目涉及多个研究领域，结合了人体工程学、人体解刨学和机械设计技术等，需要设计一个单侧具有 6 个自由度的步行助力装置。通过分析人体下肢骨骼步行运动与外骨骼设计要求，进行外骨骼机构的构型设计与运动学分析，最后进行外骨骼机构设计和三维建模，以及相关的机构仿真分析。

　二、国内外研究概况 自从上世纪 60 年代末，美国和前南斯拉夫就开始进行了人体外骨骼装置的研究，美国研究这个技术的最初目的是增强人的能力，往往是出于军事目的，而前南斯拉夫的目的是辅助残疾人。到了 20 世纪末，美日韩俄、以色列等多个国家积极投入到本项目的研究中。目前，大概有十余家实验室从事人体下肢外骨骼的设计，其中设计成果拥有较大进展的国家是日本和美国。而接下来就国内外的研究现状进行简要的概述[3] 。

　1、国外下肢外骨骼机器人研究现状的简述

　日本的筑波大学 Cybernics 实验室研制出世界上第一个商业外骨骼机器人动力辅助装置 HAL。这个装置可以帮助人以每小时 4 公里的速度行走，毫不费力的爬楼梯，完全通过制动控制器控制，不需要任何操纵台或外部控制装置。它采用了角度传感器、肌电信号传感器、地面接触力传感器等传感设备来获得外骨骼和操作者的状态信息。通过单边双边系统进行直接数据的传送。所有动力驱动、测量系统、计算机、无线网络和动力供应设备部装在背包中，使用装在腰间的电池进行供电。HAL 拥有混合控制系统，包括自动控制器进行进行诸如身体姿态的控制，以及基于生物学反馈和预测前馈的舒适装置器。穿上 HAL，上臂可以负重40 kg，下肢可以负重 100-180kg。在重量上，HAL-3 重 22 公斤，HAL-4 重 17 公斤，HAL-5 仅重 15 公斤 [4] 。日本神奈川理工学院研制的“动力辅助服”PAS 可使人的力量增 0.5-1 倍，这种装置最初是为护士研制的，用来帮助她们照料体重较大或根本无法行走的病人，该动力辅助服选用了微型气泵、便捷式镍镉电池和嵌入式微处理器使系统的动力提供和控制系统小型化，它使用肌肉压力传感器分析佩戴者的运动状况，通过复杂的气压传动装置增加人的力量。肘部、腰部和膝部的关节驱动采用新式的可直接驱动的旋转位移式气动驱动器，肌肉力量信号的采集是通过布置于上臂、大腿和腰部的肌肉硬度传感器来实现[5] 。

　美国国防高级研究计划局(DARPA)于 2000 年出资五千万美元用于资助对能够增强人体机能的外骨骼(EHPA)的研究与开发，研制一种穿戴式的，具有自适应能力的外骨骼系统，使士兵在穿着外骨骼后，行军能力大大提高，可以背负 200kg的军用设备，连续运行至少 4 小时。在战争中，外骨骼可以使士兵作战能力大大加强，同时在士兵受伤后提供一定的保护。DARPA 的该项目资助了多家研究机构，其中有几家负责设计和研制出整套的外骨骼系统，他们是加州大学伯克利分校、萨克斯(Sarcos)公司和橡树岭国家实验室。其他一些获得资助的研究机构主要负责开发适应于外骨骼的动力供应设备 [6-8] 。2004 年，伯克利分校研制出的下肢外骨骼机器人BLEEX是DARPA项目的第一台带移动电源和能够负重的下肢外骨骼机器人。BLEEX 由--个用于负重的背包式外架、两条动力驱动的仿生金属腿及相应动力设备组成，使用背包中的液压传动系统和箱式微型空速传感仪作为液压泵的能量来源，以全面增强人体机能[9] 。BLEEX 的负重量能达至 75kg，并以 0.9m／s的速度行走，在没有负重的情况下，能以 1.3m／s 的速度行走。萨克斯公司在2008 年 4 月，成功研制出外骨骼机器人 XOS，它利用附在身体上的传感器，可以毫不延迟地反应身体的动作，输出强大的力量。当穿上 XOS 时，能举起 200 磅的重物就好像举 20 磅的，可以连续举 50—500 次。美国 Applied

　Motion 公司开发了开发了第一个行走外骨骼装置“Spring Walker”能够使使用者健步如飞，行走速度可达 30 英里每小时[10] 。

　2、国内下肢外骨骼机器人的研究现状

　国内对下肢外骨骼机器人的研究起步较晚，还处在基础研究阶段。目前，国

　内几所高校也开始了对人体下肢外骨骼的探索。如浙江大学远程控制、北京理工大学和天津大学在气动人工肌肉的研究，深圳先进技术研究院也开展了类似的研究工作。自 2004 年开始，中科院合肥智能机械研究所就开始了类似的研究工作。浙江大学研制了一种新型的可穿戴式下肢步行外骨骼机构和可穿戴的柔性外骨骼机械手。哈尔滨工业大学设计研制的下肢康复助行机构，主要包括穿戴在身上的助行行走机构和抬升机构。通过这两个装置，使得病人能够在无他人帮助的情况下，进行功能锻炼以恢复健康 [8] 。2002 年，由北京理工大学等单位承担的国家863 计划机器人技术主题项目“仿人机器人技术与系统”通过验收。验收专家认为该项目在系统集成、步态规划和控制系统等方面实现了重大突破，标志着我国仿人机器人研究已跨人世界先进行列[11] 。

　三、下肢外骨骼机器人的发展趋势

　从技术上说，外骨骼机器人是从仿生角度实现的一种机器人。他可以赋予穿戴外骨骼的人部分或全部的外骨骼现有的下肢外骨骼机器人所具有的功能，主要包括：支撑功能、保护功能、运动功能、环境感知功能。其特点在于“人在回路中”的一个系统。但其还存在还存在以下几方面的问题：体积大，重量重，噪音大；对地面的适应性和运动的灵活性还需进一步提高；与使用者的步态还不完全协调；能源的重量较重而且不耐用[12] 。距离投入正式使用还存在一定差距。基于以上问题和下肢外骨骼机器人的应用背景，其未来发展呈现出下几个趋势。

　（1）下肢外骨骼机器人应具有按强的学习能力

　人类的行走存在着“个性化”差别，而且根据路况，使用的行走动作也是随机的，很难使用一个固定的模式来描述行走过程，所以很难得到一个固定的输出设定，而这个行走动作预设参数的设定却至关重要，必须使用这项参数来控制各种情况下的动作。故下肢外骨骼机器人未来发展最重要的一个方向就是具有学习能力，也即是：针对它的每个使用者，“学习出”一套最适应使用者行走习惯的运动模式[6、13] 。

　（2）下肢外骨骼机器人必须轻巧和工作效率高

　在未来进行下肢外骨骼机器人研制时，应选择坚固、轻型且有弹性的材质，并且外骨骼机器人应具有高度的灵活性，使得使用者穿着作业时感到轻松自在，而不是受到约束。另外对于外骨骼机器人的动力源，携带的能源必须能够维持

　24 小时的工作，而且必须轻且完全无声；应发展热效率高和污染较低的新型能源，如燃料电池，保证外骨骼机器人能长时间作业[14] 。

　（3）下肢外骨骼机器人必须安全和稳定可靠

　外骨骼机器人需要满足安全性、有效性和舒适性的要求。安全性体现了安全第一的设计准则；有效性体现了外骨骼机器人的设计目的；舒适性则是面向应用的关键因素[15] 。

　随着能源、材料和控制技术的不断进步，下肢外骨骼机器人将会变得越来越人性化与智能化。

　参 考 文 献

　 [1]张立勋, 董玉红, 路敦民. 五连杆式人机合作机器人运动学及动力学研究[J]. 哈尔滨工程大学学报, 2004, 25(3): 337−340 [2]尹军茂. 穿戴式下肢外骨骼机构分析与设计[D]. 北京: 北京工业大学硕士学位论文, 2010 [3]顾仁杰.模块化小型爬壁蠕虫步态分析.机械工程学报，2009 [4]葛文杰，沈云文，杨方.仿袋鼠机器人跳跃运动步态的运动学.军民两用技术与产品，2006 [5]赵林燕，张立勋，王岚.测力鞋垫在步态研究中的应用.测控技术，2006 [6]李增刚. ADAMS 入门详解与实例(第 2 版)[M]. 北京: 国防工业出版社, 2014 [7]Andrew C, Kazerooni H, and Adam Z. On the Biomimetic Design of the Berkeley Lower Extremity Exoskeleton (BLEEX) (R). in Proc.IEEE Int.Conf.Robot. Automation, Barcelona, Spain, April 2005: 4345-4352 [8]陈峰. 可穿戴型助力机器人技术研究[D]. 合肥: 中国科学技术大学博士学位论文, 2009 [9]陈占伏, 杨秀霞, 顾文锦. 下肢外骨骼机械结构的分析与设计[J]. 计算机仿真, 2008, 8(8): 238-241 [10]方郁. 可穿戴下肢助力机器人动力学建模及其控制研究[D]. 合肥: 中国科学技术大学硕士学位论文, 2009 [11]蔡兆云, 肖湘江. 外骨骼机器人技术研究综述[J]. 国防科技, 2007, (12): 6-8 [12]Adam Z, Kazerooni H, and Andrew C. On the Mechanical Design of the Berkeley Lower Extremity Exoskeleton (BLEEX) [R]. in 2005 IEEE/RSJ Int. Conf. on Intelligent Robots and Systems: 3132-3139 [13]Kazerooni H. A Review of the Exoskeleton and Human Augmentation Technology [R]. in Proc.ASME Dynamic Systems and Control Conf.October 20-22, 2008, Ann Arbor, Michigan, USA: 1-9 [14]归丽华, 杨智勇, 顾文锦, 等. 能量辅助骨骼服 NAEIES 的开发[J]. 海军航空工程学院学报. 2007, 7(4): 467-470 [15]丁兆义. 外骨骼机器人设计和控制系统研究[D]. 沈阳: 东北大学硕士学位论文，2008

　毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告

　２． 本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：

　（1）研究的内容和需要解决的问题 （a）总体方案 通过总结人体下肢行走的运动学和动力学数据，建立下肢外骨骼的三维结构和动力学模型，然后完成基本设计 （b）机械结构 从人机工程学、解剖学的角度对人体运动关节和下肢行走机理进行理论分析，了解下肢外骨骼行走时的运动状态，下肢骨结构特点以及骨关节的运动。从仿生学的角度出发，依据人体下肢自由度为下肢外骨骼设计自由度。通过人体步态及稳定性分析，根据双足稳定步行理论获得下肢外骨骼稳定运动的条件。从而建立获取人体下肢链模型，为了研究方便，可将人体模型进行简化，可以简化为五杆模型、七杆模型或者倒立摆模型。

　（2）研究手段 （a）首先，通过对该项目的现有大研究资料对该项目进行整体的了解。其次，通过视频采集的方法取得行走过程中人体下肢各部分之间的运动关系。

　（b）再将步行抽象为三种典型步态：单脚支撑、双脚支撑、双脚支撑一脚冗余。对三种步态建立数学模型，依据多体系统动力学方法获得运动学和动力学模型，作为动力学分析的主要数据。

　（c）然后，进行虚拟样机模型的构建，利用 CAD、UG 等软件，通过 ADAMS仿真分析、计算得到人体各关节内部的驱动力矩，得到具体的一些数据。