外骨骼机器人设计、控制机理研究

第二十一届“冯如杯”学生课外学术科技作品竞赛项目论文

外骨骼机器人设计、控制机理研究

院（系）名称自动化科学与电气工程学院

专业名称自动化

学生姓名刘旭郑博文徐健伟

学号刘旭38030410

郑博文38030423

徐健伟38030518

指导教师刘正华副教授

2011年4月1日

摘要

外骨骼，类似某些动物的外壳，是一种能穿在人身上,提供额外的动力的机械装备，能够实现行动障碍人士的康复训练以及负重行走等功能。它主要分为三个部分：机械部分，软件部分，电气部分。其中机械部分的主要作用是承担负重，保证系统能实现运动的功能；软件部分主要用于整个系统的数据采集、控制信号的发出；电气部分主要用于给系统供电、完成信号采集、发送和运动的功能。我们设计制作了一种外骨骼机器人。本文针对此项作品主要介绍了当前外骨骼机器人的研究现状和本作品的制作背景，阐述了一种负重型外骨骼机器人的设计过程及相关结构。本文是对“外骨骼机器人设计、控制机理研究”作品的比较全面的介绍。

关键词外骨骼，机器人，PID控制，电机控制，虚拟样机

Abstract

Exoskeletons, like the shells of some sorts of animals, are a kind of mechanical equipment that can help the disabled to learn to move normally and provide the users with extra strength to bear more than he can actually do walking or running. In general, it can be divided into three parts, mechanical part, software part and electrical t part. Among these, the mechanical part is used to bear the weight, the software part is to get state data and send out control signal and the electrical part is to power the system, pick signal and move. We have already made a sort of this, and with regard to it, this article is mainly about the previous studying condition and the background of this work. In addition, the procedure of our designing and working with the kind of exoskeletons is specifically described. This article is a comprehensive introduction to our work ‘The design of a sort of exoskeletons and study of how to control it’.

Abstract Exoskeletons, Robort , PID Control, Motor control, Virtual prototype

目录

1 外骨骼机械结构设计 (2)

2外骨骼电气控制部分设计 (5)

2.1传感器 (5)

2.2动力部件 (5)

2.3能源 (5)

3 软件部分设计 (6)

4 结论 (8)

5参考文献 (9)

1绪论

外骨骼机器人是一种可以穿戴的助力型机器人，主要结构是用于承重的仿人型四肢，通过其特殊结构可以使穿戴它的使用者完成一些仅靠人体自身无法完成的任务，在搬运、救灾、士兵负重行军、医疗等领域都具有广泛的应用前景。通常包括负重型外骨骼机器人和医疗康复型外骨骼机器人。前者用于辅助人的负重，比如在救灾和战争条件下辅助使用者携带重负荷装备以正常速度行进，后者用于医疗，比如卒中及瘫痪病人的标准步态康复训练和辅助残疾人的正常行走。按结构可分为上肢外骨骼系统、下肢外骨骼系统或者两者兼有。

20世纪60年代美国通用电气公司曾经开发出一种名为“Hardiman”的机器手臂，可以使戴上它的使用者轻易举起100千克以上的重物。之后对外骨骼机器人的研制取得了一些进展。近几年，随着相关技术的发展，外骨骼在军事、医疗等方面的应用越来越广泛。日本筑波大学开发出一种能辅助残疾人以4km/h速度自如行走和上下楼梯的商业外骨骼机器人“Hybrid Assistive Limb”；美国“国防远景研究计划署”在加州大学伯克利分校研制出能通过计算将士兵的载荷分配到一对金属钢架仿生腿上的外骨骼机器人“BLEEX”，使穿戴者在行动过程中自身负荷最小；美国洛克希德-马丁公司新型人类外骨骼负重系统“HULC”可以使士兵负重91kg并以正常状态前进。类似的产品还有用于瘫痪病人康复训练的外骨骼系统“Locomat”、“Hapticwalker”等，日本神奈川工科大学、韩国西江大学、新加坡南洋理工大学等地高校也在进行相关研究。

目前该项目的国内的研究状况与国外相比差距较大，只有少数科研院所开展过相关研究工作：如北京航空航天大学研制出用于外科手术的机器人遥操系统；中国科学院研制出一种下肢外骨骼机器人；浙江大学研制出一种气动驱动外骨骼机器人；哈尔滨工业大学、上海交通大学等学校也进行了外骨骼机器人的相关研究。

目前外骨骼研制所要解决的主要内容包括：建立基于生物力学的外骨骼机械结构使人体负重能通过骨架传递到地面并且适于使用者行动；外骨骼软硬件控制平台的实现，包括用于人体步态识别的采样系统、实时控制系统及人机交互的传感器；针对人体步态特征设计高密度能量输出、抗冲击、低能耗的关节力驱动系