穿戴式机械腿机构设计开题报告

纸， 明书全套毕业设计均有 1 扬州大学广陵 学院 毕业设计 (论文 )开题报告 学 生 姓 名： 学 号： 专 业： 机械设计制造及其自动化 设计 (论文 )题目： 穿戴式机械腿机构设计 指 导 老 师： 2014 年 4 月 9 日 纸， 明书全套毕业设计均有 2 扬州大学广陵学院本科生毕业设计（论文）开题报告 设计（论文）题 目 穿戴式机械腿机 构设计 题目来源 指导老师出题 题目类型 为结合科研 指导教师 学生姓名 学 号 专 业 机械设计制造及其自动化 开 题报告内容：（调研资料的准备与总结，研究目的、要求、思路与预期成果；任务完成的阶段 、 内容及时间安排；完成毕业设计（论文）所具备的条件因素等。） 本毕业设计（论文）课题应达到的目的： （ 1）培养学生的调查研究以及资料、信息的获取、分析等综合能力； （ 2）培养学生的工程设计能力，主要包括设计、计算及绘图能力； （ 3）培养学生的综合运用专业理论知识，分析解决实际问题的能力； （ 4）培养学生的在设计过程中使用计算机的能力； （ 5）培养学生的撰写设计说明书、论文的能力； （ 6）培养学生创新能力和创新精神。 本毕业设计（论文）课题工作进度计划 ： 起止日期 工 作 内 容 201401401420140142014业设计开始，查阅中外文资料，完成外文翻译，完成实习调研和实习报告，完成开题报告； 进行毕业设计，接收毕业设计中期检查， 根据设计要求，进行机械结构 原理设计和 结构设计， 撰写毕业设计论文 ； 修改完善毕业论文、准备毕业答辩、整理毕业设计期间的所有资料、成果并归档。 纸， 明书全套毕业设计均有 3 文 献 综 述 一、课题研究的内容及意义 穿戴式智能设备 ” 是应用穿戴式技术对日常穿戴进行智能化设计、开发出可以穿戴的设备的总称，如 鞋等 。 机械腿的研究是步行机器人研究的核心内容。步行机器人是一个交叉学科的研究，它涉及仿生学、机械学、控制学及信息处理技术等。步行机器人在多个行业具有很多应用优势，逐渐成为国内外机器人研究领域的一个热点。步行机器人与其他 履带式、轮式 机器人相比，具有以下的运动特性 。 (1)步行机器人具有良好的地面自适应性 步行机器人可以在复杂的地形上利用离散的点来选择最优的地面支撑点，并且可以跨越一定的障碍物。 (2） 步行机器人的腿部运动系统比较稳定 步行机器人的腿部运动系统可以保证身体相对地面的稳定，因其腿部具有多个自由度，灵活性大，同时可以通过调节腿的伸展度来调整重心，因此不易翻倒，稳定性高。 仿人机器人作为步行机器人的一种形式，是提高机器人机动性和节省能源的一条重要途径。仿人机器人是机器人研究领域最高研究成果的代表。 相对于其他机器人，仿人机器人具有人的外形，并具备良好的人机交互能力，所以在娱乐服务等领域，仿人机 器人具有更明显的优势。 仿人步行机器人具有诸多的优势，使其成为日前研究的热点。为使机器人腿部能协调而稳定的运动，机械结构设计和控制系统算法的研究都比较复杂，使其研究充满挑战。 二、课题国内外现状 2000年，德国自由大学 2001年，德国弗朗霍费尔研究所 (于吊线 木偶原理，研制了一种绳驱动式下肢康复训练机器人 合踏步车使用。 纸， 明书全套毕业设计均有 4 一款可穿戴的、通过电池供电的仿生机械腿，将之穿在身上后，它可以提供必要的支撑力，让人重新站立。而且整套系统还采用了仿生设计，以内置电动马达为动力，当人们把它穿在身上，就能重新获得行走的能力！ 在下肢机器人方面，国内研究起步较晚，取得的成果也不多。目前的研究机构主要有上海大学、浙江大学、哈尔滨工业大学和哈尔滨工程大学等。具有代表性的是 :哈尔滨工程大学开发的辅助型下肢康复训练机器人和浙江大学开发的可穿戴式的下肢步行外骨骼。从 2004 年，中科院合肥智能机械研究所也开始从事相关的研究工作。 2002年，哈尔滨工程大学机电一体化研究所研制出了一种下肢康复训练机 器人样， 如图 1 该机器人由三自由度步态机构、姿态机构和重心平衡机构等组成。其优点是可实现脚的姿态调整，在机器人的远程控制技术、虚拟现实技术及减重控制策略方面进行了实验或仿真研究，后续研制并开发了可与该机器人配合使用的四自由度绳索牵引骨盆运动并联康复机器人。 2006 年， 上海大学机电工程与自动化学院也研究了一套可穿戴式助力机械腿，如图 1侧下肢有两个自由度，分别为骸关节屈 /伸和膝关节屈 /伸。 纸， 明书全套毕业设计均有 5 2007 年，哈尔滨工程大学机电一体化实验室的研究小组研制了被动式步态康复训练 器 。 2009 年，该研究小组又提出了步态训练机器 ，机器人可控制双足矢状面内六自由度的运动，具有承载能力强，步幅、步态、足底姿态可灵活调整等优点。通过不同的轨迹规划，机器人能够模拟上、下楼梯，平地行走等步态动作。利用柔顺控制等多种控制策略，可模拟沙地、草地等多种路况的行走。实验研究表明，该机器 人可实现多种步态的控制，且具有较好的训练效果 。 三 2006 年中国人口老龄化发展趋势预测研究报告表明，到 2023 年，我国老年人口将达到 ，与 0少儿人口数量相等。而到 2051 年，中国老年人口规模将达到峰值 为少儿人口数量的 2倍。针对我国人口老龄化的口益严重、脑卒中患者数量多、治疗医师资源缺乏的情况，开发一种可以为偏瘫、截瘫等肢体残疾人员及体弱老年人提供康复训练和助行服务的机器人，对降低老年人跌倒的比例、帮助偏瘫患者树立重新行走的信心、提高老年人独立生活的质量减 轻社会负担具有重要的研究意义。同时，机器人辅助设备可以极大的降低康复师的工作量，促进患者的主动参与，可以客观的评价康复训练的强度、时间和效果，使康复治疗更加系统化和规范化。 穿戴式机械腿应用于医疗上 越来越多 ，帮助残疾人站起来。 尽管目前己经开发出了多种助行康复机器人，但机器人在机械结构精巧、人机协调、自动适应用户的行为、工作延续性、提高用户的舒适度等方面还远远达不到实际应用的要求。同时，由于目前的康复训练机器人运用于临床康复的纸， 明书全套毕业设计均有 6 训练方案、训练的评价方法等还处于摸索阶段，机器人技术完全应用于临床康复训 练还需要深入、系统的研究和探索。因此，对机器人进行改良，开展与其它临床康复方法的有机结合以提高其临床康复效果，扩展其治疗手段是非常有必要的 。 综上所述，研究助行康复机器人技术，使其满足康复训练、辅助行走、节省能耗、携带方便等需要，并且更加符合人体生理习惯，令使用者步态更自然，提高老年人的生活质量，减轻社会负担，使其真正服务于需要的人，有着重要的意义。 四 近年来，关于外骨骼机构的人一机运动相容性设计问题开始得到研究者的关注，一些研究者对上肢外骨骼机构的运动相容性进行了分析，并基于人机工程学原理对上肢外骨骼机构的运动学设计方法进行了研究。但是对下肢康复机器人机构的人一机相容性问题以及影响人一机相容性的因素方面研究较少，主要问题如下。 (l)人一机联接模式对人一机相容性的影响现有下肢康复机器人中，人一机之 间采 直接绑缚或通过穿戴具以紧致穿戴的形式相联接，缺乏有关人一机联接模式和约束 性质的深入研究，更未分析联接模式对人一机运动相容性的影响。 (2)机构构型对人一机相容性的影响现有的下肢康复机器人机构的骸关节多采用单自由度回转副或由 2个回转副进行运动等效，膝关节为单自由度回转副，机构的尺度参数根据下肢骨胳的比例和长度确定。优点是机器人机构的构型相对简洁且机构的设计简便易行。但机器人机构的关节数目少于下肢骨骼的关节数目，而且对应关节的运动属性也有所不同，构型的选取会直接影响人一机之间的运动相 容性。 (3)机构参数优化对人一机相容性的影响由于下肢康复机器人机构与人体骨骼机构在关节数目、关节运动特性上的差异以及机器人机构的外挂属性，若机器人机构参数 或联接参数设计不够合理，也会导致人一机运动不相容，在联接部位发生运动干涉与冲突。 此外，在机构设计中，材料选择、结构美观和机构可调性等也是研究的重要问题。 纸， 明书全套毕业设计均有 7 本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径） 大问题 (1)可穿戴性 要好 :下肢外骨骼康复机器人要有良好的可穿戴性经过简单的训练即可非常容易顺利快速地穿脱。 (2)可调节性 要强 :下肢外骨骼康复机器人面向的患者群体年龄跨度大，外骨骼应能适应各种身高体重的患者，因此其在长度及宽度方向都应能调节以适应不同患 者穿戴。 (3)结构 要 轻巧 :外骨骼机器人应尽量轻巧、简便方便穿戴和驱动，节省能源 。 (4)相互干扰性 要 小 :尽量减小人与外骨骼的直接接触面，减小人机相互干扰，从而减小对人体各方面的限制。 (5)柔顺、舒适性 要好 :下肢外骨骼机器人的运动与人体下肢的运动要具有很好的协调 性 。其结构、自由度的配置要与人体结构与自由度相匹配。使穿戴着感觉柔顺自然。 （ 1）弄清楚穿戴式机械腿机构特点 1 穿戴式机械腿的结构布局特点 机械腿通过三个电机驱动，实现膝关节和踝关节的运动，类 似于人体膝关节和踝 关节的结构特点，其驱动装置安放在固定件的位置上。该机构的运动杆件不必承载驱动电机的重量，减少了电机数量，这种拟人机械腿具有结构简单、承载能力强、运动惯性小、运动灵活等优点，克服了传动系统复杂、动态特性差等缺点。 这种穿戴式 机械腿的结构布局特点如下 :三 个直线移动副 3相互平行 ;三个直 线移动副 3均安装在基座上 ;当杆 直于而行于杆 各移动副输入均为零时，这种膝关节和躁关节机构处于初 始位姿。移动副 3的初始长度分别为 i=1,2,3),Z 分别为各直线移动副的输入位移。建立两个坐标系 :静坐标系 R(动坐标系S(如图 1所示，点 纸， 明书全套毕业设计均有 8 图 1 （ 2）穿戴式机械腿设计方案 1. 基于 机械腿的参数优化结果，同时考虑加工与装配工艺性，给出一种拟人机械腿的设计方案，如图 2(a)所示，这种拟人机械腿与球而三自由度并联机构 (作为拟人骸关节机构原型 )串联在一起，构成拟人下肢的设计方案，如图2(b)所示。这种拟人机械腿机构的 膝关节 和踝 关节采用 4- 过三个电机实现膝关节和 踝 关节的运动方式，电机等固定件靠近腰部附近，减小电机等固定件产生的力矩，增加腿部的承载能力，减小运动惯性，发挥并联机构的优点，同时，这种新型拟人下肢可实现任何步态状况，具有主动控制步态的优点。因此，这种新型拟人下肢具有结构简单、承载能力强、运动惯性小、运动稳定等优点。 纸， 明书全套毕业设计均有 9 图 2（ a） 图 2（ b） （ 3）机械腿结构的优化 按照机构原理图的设计图想，其中较难 设计的部分为膝关节 所 在支链的平面四杆机构而如果完全 按原 理图的设计 ，将转动 副 固 连，那么 机械腿显得不够紧凑和灵巧。在传动副 F,将传动副 纸， 明书全套毕业设计均有 10 图 4 图 5 为机架固连，图 3，那么再设计传动副 3为了使机械腿的结构史紧凑，将图 3中的 80度 上 的杆件固连到点 E 上 ，如图 4所示，这样 作 原理 。移动副采用 滚珠 丝杆 实现，根据改进的机构简图，设计了如图 5所小的膝关口听在支链结构设计，扣将转动副 该基座与机械腿的静平台基座固连， 这样使 得拟人机械腿结构紧凑，同时减轻重量。 纸， 明书全套毕业设计均有 11 （ 4）加入胡克铰结构 胡克铰（图 6）在并联机构中使用倾率很高，而该结构的设计 直接彩响了整个并联机构的性能。因为 在研究机构的 工 作空间时，在考虑约束的 影响 中， 胡克铰两个方向的转动范围是一个重要因 素。对 这个拟人机械腿机构，没有杆件之间的干 涉 ，胡克