1、開題報告,吳智偉 畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）開 題 報 告 1結(jié)合畢業(yè)設(shè)計（論文）課題情況，根據(jù)所查閱的文獻資料，每人撰寫 2000 字左右的文獻綜述： 文 獻 綜 述 一、本課題的研究目的及意義 在現(xiàn)在的科技化的時代浪潮下，隨著科技的不斷開展，人們都希望自己能夠擁有強大的下肢力量在生活中更加便捷；一些人先天或后天殘疾，行走不便，人們就產(chǎn)生了通過開展外部設(shè)備讓這些人重新?lián)碛凶灾餍凶叩哪芰Γ浑S著人口老齡化，老年人更需要下肢力量的增強來進行便捷的生活；科學(xué)技術(shù)的開展，使現(xiàn)代化的單兵裝備越來越復(fù)雜，這不可防止地要求士兵攜帶越來越重的裝備。這些復(fù)雜的單兵設(shè)備便會成為士兵的負擔(dān)，如果單憑士兵自己攜帶全部的

2、裝備，必將對他們的體能構(gòu)成巨大的威脅，從而影響他們的作戰(zhàn)能力。因此，長久以來，各國都投入了大量精力在單兵背負機構(gòu)上，希望能夠提高士兵的作戰(zhàn)持久能力，研制更符合人體工程學(xué)原理的負重裝置，人機一體化的下肢外骨骼恰恰能夠大大減輕承載過重的士兵負擔(dān)。這些裝備的成功裝備將提升士兵的作戰(zhàn)力。下肢外骨骼不僅適用于士兵戶外作戰(zhàn)，也可以為救災(zāi)人員、森林防火戰(zhàn)士以及其他急救人員攜帶重要負載，如食品、救援設(shè)備、急救用品、通訊設(shè)備和武器，而使用者不用負擔(dān)相關(guān)的體力勞動。這樣將能夠大幅提升使用者的各方面能力。從而得到更好的效果，實現(xiàn)設(shè)計目的。1 人體下肢外骨骼就是一種可以去幫助人們擴展下肢運動能力的裝置，能夠使人在負重

3、荷或長時間行走的情況下，降低運動強度，幫助相關(guān)人士到達行走的目的；對那些有異樣運動行為的人提供治療和幫助等成效。它的優(yōu)越性在于支撐、防護、運動三項功能的緊密結(jié)合。2 該工程涉及多個研究領(lǐng)域，結(jié)合了人體工程學(xué)、人體解刨學(xué)和機械設(shè)計技術(shù)等，需要設(shè)計一個單側(cè)具有 6 個自由度的步行助力裝置。 二、國內(nèi)外研究概況 批注 gxr1: 通讀全文，檢查病句和錯別字 批注 gxr2: 位置不對，須放在標點符號之前 批注 gxr3: 參考文獻應(yīng)該放在一句話的末尾，但必須在標點符號之前，下文同 自從上世紀 60 年代末，美國和前南斯拉夫就開始進行了人體外骨骼裝置的研究，美國研究這個技術(shù)的最初目的是增強人的能力，往

4、往是出于軍事目的，而前南斯拉夫的目的是輔助殘疾人。到了 20 世紀末，美日韓俄、以色列等多個國家積極投入到本工程的研究中。目前，大概有十余家實驗室從事人體下肢外骨骼的設(shè)計，其中設(shè)計成果擁有較大進展的國家是日本和美國。而接下來就國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀進行簡要的概述。3 1、國外下肢外骨骼機器人研究現(xiàn)狀的簡述 日本的筑波大學(xué) cybernics 實驗室研制出世界上第一個商業(yè)外骨骼機器人動力輔助裝置 hal。這個裝置可以幫助人以每小時 4 公里的速度行走，毫不費力的爬樓梯，完全通過制動控制器控制，不需要任何操縱臺或外部控制裝置。它采用了角度傳感器、肌電信號傳感器、地面接觸力傳感器等傳感設(shè)備來獲得外骨骼和操

5、作者的狀態(tài)信息。通過單邊雙邊系統(tǒng)進行直接數(shù)據(jù)的傳送。所有動力驅(qū)動、測量系統(tǒng)、計算機、無線網(wǎng)絡(luò)和動力供給設(shè)備部裝在背包中，使用裝在腰間的電池進行供電。hal 擁有混合控制系統(tǒng)，包括自動控制器進行進行諸如身體姿態(tài)的控制，以及基于生物學(xué)反響和預(yù)測前饋的舒適裝置器。穿上 hal，上臂可以負重40 kg，下肢可以負重 100-180kg。在重量上，hal-3 重 22 公斤，hal-4 重 17 公斤，hal-5 僅重 15 公斤。4 日本神奈川理工學(xué)院研制的“動力輔助服”pas 可使人的力量增 0.5-1 倍，這種裝置最初是為護士研制的，用來幫助她們照料體重較大或根本無法行走的病人，該動力輔助服選用了

6、微型氣泵、便捷式鎳鎘電池和嵌入式微處理器使系統(tǒng)的動力提供和控制系統(tǒng)小型化，它使用肌肉壓力傳感器分析佩戴者的運動狀況，通過復(fù)雜的氣壓傳動裝置增加人的力量舊 j。肘部、腰部和膝部的關(guān)節(jié)驅(qū)動采用新式的可直接驅(qū)動的旋轉(zhuǎn)位移式氣動驅(qū)動器，肌肉力量信號的采集是通過布置于上臂、大腿和腰部的肌肉硬度傳感器來實現(xiàn)。5 批注 gxr4: 什么意思 帶 格 式 的: 居中批注 gxr5: 排版時，圖片需要居中，且不要首行縮進，也不需要懸掛縮進 美國國防高級研究方案局(darpa)于 2000 年出資五千萬美元用于資助對能夠增強人體機能的外骨骼(ehpa)的研究與開發(fā)，研制一種穿戴式的，具有自適應(yīng)能力的外骨骼系統(tǒng)，使

7、士兵在穿著外骨骼后，行軍能力大大提高，可以背負 200kg的軍用設(shè)備，連續(xù)運行至少 4 小時。在戰(zhàn)爭中，外骨骼可以使士兵作戰(zhàn)能力大大加強，同時在士兵受傷后提供一定的保護。darpa 的該工程資助了多家研究機構(gòu)，其中有幾家負責(zé)設(shè)計和研制出整套的外骨骼系統(tǒng)，他們是加州大學(xué)伯克利分校、薩克斯(sarcos)公司和橡樹嶺國家實驗室。其他一些獲得資助的研究機構(gòu)主要負責(zé)開發(fā)適應(yīng)于外骨骼的動力供給設(shè)備。 6-8 xx 年，伯克利分校研制出的下肢外骨骼機器人bleex是darpa工程的第一臺帶移動電源和能夠負重的下肢外骨骼機器人。bleex 由-個用于負重的背包式外架、兩條動力驅(qū)動的仿生金屬腿及相應(yīng)動力設(shè)備組

8、成，使用背包中的液壓傳動系統(tǒng)和箱式微型空速傳感儀作為液壓泵的能量，以全面增強人體機能。9 bleex 的負重量能達至 u75kg，并以 09ms 的速度行走，在沒有負重的情況下，能以 13ms 的速度行走。薩克斯公司在 xx 年 4 月，成功研制出外骨骼機器人 xos，它利用附在身體上的傳感器，可以毫不延遲地反響身體的動作，輸出強大的力量。當穿上 xos 時，能舉起 200磅的重物就好似舉 20 磅的，可以連續(xù)舉 50500 次。美國 applied motion 公司開發(fā)了開發(fā)了第一個行走外骨骼裝置“spring walker”能夠使使用者健步如飛，行走速度可達 30 英里每小時。10 2、

9、國內(nèi)下肢外骨骼機器人的研究現(xiàn)狀 國內(nèi)對下肢外骨骼機器人的研究起步較晚，還處在根底研究階段。目前，國批注 gxr6: 應(yīng)該寫為6-8 批注 gxr7: 數(shù)字和小數(shù)點應(yīng)該在英文輸入狀態(tài)下書寫 內(nèi)幾所高校也開始了對人體下肢外骨骼的探索。如浙江大學(xué)遠程控制、北京理工大學(xué)和天津大學(xué)在氣動人工肌肉的研究，深圳先進技術(shù)研究院也開展了類似的研究工作。自 xx 年開始，中科院合肥智能機械研究所就開始了類似的研究工作。浙江大學(xué)研制了一種新型的可穿戴式下肢步行外骨骼機構(gòu)和可穿戴的柔性外骨骼機械手。哈爾濱工業(yè)大學(xué)設(shè)計研制的下肢康復(fù)助行機構(gòu)，主要包括穿戴在身上的助行行走機構(gòu)和抬升機構(gòu)。通過這兩個裝置，使得病人能夠在無他

10、人幫助的情況下，進行功能鍛煉以恢復(fù)健康。 8 xx 年，由北京理工大學(xué)等單位承當?shù)膰?63 方案機器人技術(shù)主題工程“仿人機器人技術(shù)與系統(tǒng)”通過驗收。驗收專家認為該工程在系統(tǒng)集成、步態(tài)規(guī)劃和控制系統(tǒng)等方面實現(xiàn)了重大突破，標志著我國仿人機器人研究已跨人世界先進行列。11 三、下肢外骨骼機器人的開展趨勢 從技術(shù)上說，外骨骼機器人是從仿生角度實現(xiàn)的一種機器人。他可以賦予穿戴外骨骼的人局部或全部的外骨骼現(xiàn)有的下肢外骨骼機器人所具有的功能，主要包括：支撐功能、保護功能、運動功能、環(huán)境感知功能。其特點在于“人在回路中”的一個系統(tǒng)。但其還存在還存在以下幾方面的問題：體積大，重量重，噪音大；對地面的適應(yīng)性和運

11、動的靈活性還需進一步提高；與使用者的步態(tài)還不完全協(xié)調(diào)；能源的重量較重而且不耐用。12 距離投入正式使用還存在一定差距。基于以上問題和下肢外骨骼機器人的應(yīng)用背景，其未來開展呈現(xiàn)出下幾個趨勢。 （1）下肢外骨骼機器人應(yīng)具有按強的學(xué)習(xí)能力 人類的行走存在著“個性化”差異，而且根據(jù)路況，使用的行走動作也是隨機的，很難使用一個固定的模式來描述行走過程，所以很難得到一個固定的輸出設(shè)定，而這個行走動作預(yù)設(shè)參數(shù)的設(shè)定卻至關(guān)重要，必須使用這項參數(shù)來控制各種情況下的動作。故下肢外骨骼機器人未來開展最重要的一個方向就是具有學(xué)習(xí)能力，也即是：針對它的每個使用者，“學(xué)習(xí)出”一套最適應(yīng)使用者行走習(xí)慣的運動模式。6、13

12、（2）下肢外骨骼機器人必須輕巧和工作效率高 在未來進行下肢外骨骼機器人研制時，應(yīng)選擇鞏固、輕型且有彈性的材質(zhì)，并且外骨骼機器人應(yīng)具有高度的靈活性，使得使用者穿著作業(yè)時感到輕松自在，而不是受到約束。另外對于外骨骼機器人的動力源，攜帶的能源必須能夠維持帶 格 式 的: 縮進: 首行縮進: 2 字符批注 gxr8: 需要首行縮進，下文同 24 小時的工作，而且必須輕且完全無聲；應(yīng)開展熱效率高和污染較低的新型能源，如燃料電池，保證外骨骼機器人能長時間作業(yè)。14 （3）下肢外骨骼機器人必須平安和穩(wěn)定可靠 外骨骼機器人需要滿足平安性、有效性和舒適性的要求。平安性表達了平安第一的設(shè)計準那么；有效性表達了外骨

13、骼機器人的設(shè)計目的；舒適性那么是面向應(yīng)用的關(guān)鍵因素。15 隨著能源、材料和控制技術(shù)的不斷進步，下肢外骨骼機器人將會變得越來越人性化與智能化。 參 考 文 獻 1張立勛, 董玉紅, 路敦民. 五連桿式人機合作機器人運動學(xué)及動力學(xué)研究j. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報, xx, 25(3): 337?340 2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)碩士學(xué)位論文, xx 3顧仁杰.模塊化小型爬壁蠕蟲步態(tài)分析.機械工程學(xué)報，xx 4葛文杰，沈云文，楊方.仿袋鼠機器人跳躍運動步態(tài)的運動學(xué).軍民兩用技術(shù)與產(chǎn)品，xx 5趙林燕，張立勛，王嵐.測力鞋墊在步態(tài)研究中的應(yīng)用.測控技術(shù)，xx 6李

14、增剛. adams 入門詳解與實例(第 2 版)m. 北京: 國防工業(yè)出版社, xx 7andrew 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 xx: 4345-4352 8陳峰. 可穿戴型助力機器人技術(shù)研究d. 合肥: 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士學(xué)位論文, xx 9陳占伏, 楊秀霞, 顧文錦.

15、下肢外骨骼機械結(jié)構(gòu)的分析與設(shè)計j. 計算機仿真, xx, 8(8): 238-241 10方郁. 可穿戴下肢助力機器人動力學(xué)建模及其控制研究d. 合肥: 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)位論文, xx 11蔡兆云, 肖湘江. 外骨骼機器人技術(shù)研究綜述j. 國防科技, xx, (12): 6-8 12adam z, kazerooni h, and andrew c. on the mechanical design of the berkeley lower extremity exoskeleton (bleex) r. in xx ieee/rsj int. conf. on intelligent

16、 robots and systems: 3132-3139 13kazerooni h. a review of the exoskeleton and human augmentation technology r. in proc.asme dynamic systems and control conf.october 20-22, xx, ann arbor, michigan, usa: 1-9 14歸麗華, 楊智勇, 顧文錦, 等. 能量輔助骨骼服 naeies 的開發(fā)j. 海軍航空工程學(xué)院學(xué)報. xx, 7(4): 467-470 15丁兆義. 外骨骼機器人設(shè)計和控制系統(tǒng)研究d

17、. 沈陽: 東北大學(xué)碩士學(xué)位論文，xx 畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）開 題 報 告 本課題要研究或解決的問題和擬采用的研究手段（途徑）： （1）研究的內(nèi)容和需要解決的問題 （a）總體方案 通過總結(jié)人體下肢行走的運動學(xué)和動力學(xué)數(shù)據(jù)，建立下肢外骨骼的三維結(jié)構(gòu)和動力學(xué)模型，然后完成根本設(shè)計 （b）機械結(jié)構(gòu) 從人機工程學(xué)、解剖學(xué)的角度對人體運動關(guān)節(jié)和下肢行走機理進行理論分析，了解下肢外骨骼行走時的運動狀態(tài)，下肢骨結(jié)構(gòu)特點以及骨關(guān)節(jié)的運動。從仿生學(xué)的角度出發(fā)，依據(jù)人體下肢自由度為下肢外骨骼設(shè)計自由度。通過人體步態(tài)及穩(wěn)定性分析，根據(jù)雙足穩(wěn)定步行理論獲得下肢外骨骼穩(wěn)定運動的條件。從而建立獲取人體下肢鏈模型，為了研究方便，可將人體模型進行簡化，可以簡化為五桿模