人体下肢外骨骼仿生

人体下肢外骨骼机理分析

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摘要：本论文研究穿戴型下肢外骨骼机器人机构。所研究的外骨骼是一种可以穿戴于人体的机械装置。这种外骨骼依靠人的运动信息来控制机器人，通过机器人来完成仅靠人的自身能力无法单独完成的远行、负重等任务。这种外骨骼也可以用来检测人体运动信息，作为康复医疗器械使用。下肢穿戴外骨骼机器人是一种具有双足步行特征的典型的人机一体化系统。

关键词：穿戴外骨骼；助力机器人；机构设计；仿真分析

ANALYSIS AND DESIGN OF LOWER EXTREMITY

EXOSKELETON

(MechanicalManufacturingandAutomation.,No.:xxxxxxxx,Email:****************,phone:xxxxxxxxxxx) Abstract：This paper researched a kind of wearable lower extremity exoskeleton robot. The exoskeleton is a mechanism which could match the human body. It relied on human motion information to control the robot, and accomplish the travel, loading and other tasks that can not be completed by people's own capacity lonely. The exoskeleton can also be used to detect human motion information, and as the rehabilitation of medical devices. Lower extremity exoskeleton robot is a kind of typically man-machine integrated system with some biped walking robots’ characters.

Keywords：Wearable exoskeletons; Assist robot; Mechanical design; Simulation and

Analyze

1引言（Introduction）

外骨骼是一种给人穿戴的人机一体化

智能机械装置，它将人类的智力和机械装置的“体力”结合在一起，靠人的智力来控制机械装置，通过机械装置来完成仅靠人的自身能力无法单独完成的任务。下肢外骨骼是一种用来辅助人们行走的人机系统，它将人和两足步行机器人结合在一起，利用人的运动控制能力来控制机器人的行走，简化了自主行走式两足机器人最为常见的步态规划

和步态稳定性问题，同时它又为人类的行走提供动力协助，增强人类行走的能力和速度，特别是能够缓解人在大负重和长时间行走

情况下极易出现的疲劳感，大大扩大人类的运动范围，能够增强个人在完成某些任务时的能力。人体下肢外骨骼作为单兵系统的一部分，起到了提高士兵承载能力的作用，避免了士兵由于沉重负荷而导致的身体机能

的下降，从而提高了士兵的抵抗能力，对最终提高士兵的战斗力和生存力起到了重要

作用。故可用于军事、科考、旅游、交通等各方面，具有广泛的应用前景。

2人体外骨骼的研究背景（The background of exoskeletons）

人体下肢外骨骼机器人成为机器人领域的一个热门分支，已越来越受到学术界和工业界关注。目前，国外特别是美国、日本在这方面已经取得了巨大的进展，并逐步商业化，成为新兴产业。但国内仅有少数科研单位从事可穿戴助力机器人的研究，起步较晚，基本处在实验室试制阶段，离实用还有一定的距离。

2.1国外研究背景

（1）通用电气公司的可佩戴单兵装备1960 年通用电气公司最早研制出一款可佩戴的单兵装备Hardiman-（1Human Augmentation Research and Development Investigation）。此项研究的首要目的是缓解士兵长距离负重行军引起的疲劳，它体积巨大、重约680kg，采用主-从控制模式，非常不稳定、对操作员不安全且只能代替人的一只手。它是用液压作为动力来实现助力的。

图2-1 通用电气的Hardiman机器人

Fig.2-1 Hardiman robot of General electric

（2）MIT 军用外骨骼机器人

麻省理工学院从1978 年开始，从事外骨骼机器人项目的研究。目前，在五角大楼“增强人体机能的外骨骼”计划框架内，在完全(包括腿和手)的、可帮助举重若轻、健步如飞、可携载更多弹药和更重武器装备的军用外骨骼机器人研制方面，进展比较缓慢，不过，单个外骨骼机器人组件方面的研究还是有所进展。在控制上，通过控制类被动的外骨骼，分析人体行走过程中的动力学与运动学参数变化，调节外骨骼的弹簧与阻尼系数，达到助力的目的。实验结果表明，该装置能成功地支撑36kg 的负载保持1m/s 的速度行走，在单腿摆动过程中，能把80%的负载传递在地面上。

图2-2 1978年MIT研制的外骨骼机

器人

Fig.2-2 The exoskeletons robot

researched by MIT in 1978

（3）美国的 DARPA 的 EHPA 研究项目美国“国防远景研究计划署”在2000 年从事“增强人体机能的外骨骼”（Exoskeleton for Human PerformanceAugmentation, EHPA）的研究与开发，计划研制一种机器骨骼，提高士兵在军事作战方面的能力。在五角大楼国防高级研究计划局的资助下，从事外骨骼机器人研制的单位主要有加利福尼亚大学伯克利分校机器人和人体工程实验室、OakRidge 国家实验室、盐湖城人体机能研究所、Millennium Jet 公司、SARCOS 公司等。其中，加州大学伯克利分校率先在2004年研制成一种能使人长距离轻松搬运重物或背重物上楼梯的机械服装—助力机械服装BLEEX （Berkeley Lower Extremity Exoskeleton）。这种装置由背包式外架、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控速传感仪作为液压泵的能量来源。这项计划目的在于，研制能使带有全副武装的士兵增加负重和提高行军速度的外骨架，以全面增强人体机能。其主干部分是一对合成金属制成的不锈钢机械腿，在携带者的臀部