下肢健身外骨骼的设计
下肢健身外骨骼的设计,下肢,健身,骨骼,设计
毕业设计(论文)开题报告
题目：下肢健身外骨骼的设计与析
开题报告填写要求
1.开题报告作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期内完成。
2.开题报告内容必须按教务处统一设计的电子文档标准格式（可从教务处网页上下载）填写并打印（禁止打印在其它纸上后剪贴），完成后应及时交给指导教师审阅。
3.开题报告字数应在1500字以上，参考文献应不少于15篇（不包括辞典、手册，其中外文文献至少3篇），文中引用参考文献处应标出文献序号，“参考文献”应按附件中《参考文献“注释格式”》的要求书写。
4.年、月、日的日期一律用阿拉伯数字书写，例：“2008年11月26日”。
5.开题报告增加封面，封面格式：题目：宋体，加粗，二号；系别等内容格式：宋体，四号，居中。
1.毕业设计（论文）综述（题目背景、研究意义及国内外相关研究情况）
1.1题目背景，研究意义：
能源是人类社会赖以生存和发展的重要物质基础。纵观人类社会发展的历史，人类文明的每一次重大进步都伴随着能源的改进和更替。能源的开发利用极大地推进了世界经济和人类社会的发展。自2008年我国成功举办奥运会后健身在我国越来越流行健身房如雨后春笋般在我国发展，这是我国健身行业发展最强有力的后盾。根据测算每一个成年人锻炼一小时消耗能量0.2kw·h。那么如果一个健身房有30台这样的设备每台每天工作5小时，相当于为国家节约0.324吨标准煤。这对于有多个连锁分店的健身企业来说无疑是一个最为有效和最为简便的降低健身房的能源成本的方法。通过该设计旨在锻炼学生运用现代设计方法基本原理进行设计和工程分析，使学生受到机械工程师基本训练。
1.2人体下肢外骨骼国内外研究发展状况
人体下肢外骨骼是由20世纪60年代开始研制的全身外骨骼分支而来, 由于全身外骨骼研究的难度及上、下肢外骨骼在研究目的、技术上存在较大的差异, 外骨骼分支分为上肢外骨骼与下肢外骨骼两个研究方向。上肢外骨骼研究的进程较快,很快有了成型产品并得到了应用。
下肢外骨骼研究经过一段时间的沉寂之后, 于20世纪末也广泛地开展起来。比如密西根大学研制的用于辅助人行走的机器膝。Lokomat等人设计了用于病人腿部复原的下肢外骨骼; 美国犹他州Sacros公司研制的/ 外部骨架0等。由于技术等原因, 这些装置都没能被成功地应用于实践, 但他们提供的算法为外骨骼的进一步研究、积累经验和开拓思路做出了巨大贡献。21世纪, 下肢外骨骼又重新得到世界各国的关注, 美国、日本、俄罗斯、以色列、新加坡及中国都积极地投入到研究中,而且取得了一些成果。下面分别介绍一些在下肢外骨骼方面比较成熟的研究成果。
HAL(Hybrid Assistive Limb)系列产品(HAL,HAL-3)是日本筑波大学研制的外骨骼装置,HAL由外骨骼、驱动器、控制器和传感器等组成。它利用人在运动前肌肉会产生一种运动趋势(肌肉的收缩或扩张) 的原理,通过测量外骨骼穿着者肌肉的肌电图EMG(Myoelectricity)信号来获得人类运动趋势信息作为最初的命令信号, 信号经计算机处理, 使驱动器产生驱动力, 从而驱动外骨骼膝或踝关节运动。HAL的研制是适应日本社会老龄化的发展趋势, 主要是为老年人或行走失调者而制作的一个帮助他们站立、行走的下肢辅助外骨骼装置, 但它不能承受巨大载荷。
美国加州大学伯克利分校研制的人体下肢外骨骼(Berkeley Lower Extremity Exoskeleton, BLEEX)由两条金属腿、计算机及能量控制单元, 以及后背架等组成。外骨骼上安装的40多个传感器不断地分析、测量负重和人的空间方位信息, 将测得的信号传给计算机, 经计算机处理后发出控制信号, 驱动液压传动装置使外骨骼与人同步行走并保持外骨骼与人体的平衡。士兵穿着它身负28 kg 的背囊可以像背2kg物体那样轻松。该装置研制的目的是既可用于战场的士兵背负重物行军, 又可用于其他的负重长途行走。与日本在下肢外骨骼研制方面不同的是, 它通过测量外骨骼本身的数据来控制下肢外骨骼而不是利用EMG信号。
新加坡南洋理工大学也致力于此方面的研究。他们设计的下肢外骨骼不能承受巨大载荷。韩国也在开发研制为老年人扩大活动范围和提高活动能力的下肢外骨骼。俄罗斯则将承载下肢外骨骼装置作为单兵系统的重要部分进行研究。
在下肢外骨骼的研究方面, 美国处于领先水平, 但仍处在实验室试验研究阶段。其中许多关键技术还处于探索与研究之中, 最终目的是使人体下肢外骨骼实现有效的控制, 实现快速行走、跑、跳、蹲、跨步, 能够人机有效的合一, 机器与人之间的柔顺和谐。如何使得外骨骼材料轻便, 驱动装置体积小、能量大且无冲击、让人的感觉更舒适等问题则仍旧是研究中需要攻克的难题。
2.本课题研究的主要内容和拟采用的研究方案、研究方法或措施
2.1本课题研究的主要内容
题目内容主要包括三个方面，下肢健身外骨骼的设计与分析：
A. 在设计方面要求依据设计参数，设计下肢健身外骨骼的方案，结构。
B. 在建模方面要求建立下肢健身外骨骼的实体装配模型。对实体装配模型进行工程简化。
C. 在工程分析方面要求合理确定约束条件，分析下肢健身外骨骼在运动中的变形量并对强度进行校核。
D. 下肢健身外骨骼总重：2.8kg；腿肢长度范围：965----1085 mm；腿肢髋关节摆动最大角度：40°；腿肢膝关节转动角度范围：20°----85°；腿肢踝关节摆动最大角度：40°；腿肢弹簧负载范围：-75N----+75N；腿肢弹簧可调力范围：0N----40N；适用身高范围：155----180cm。
2.2研究方案
外骨骼研究的关键性技术分析与研究
(1)步态分析
(2)步态稳定性控制
(3)驱动机构
(4)同步行走控制
2.3 研究方法或措施
研究运用需求和公共供求关系等基础理论，通过理论分析与实证分析，系统分析与对比分析，文献分析与数理统计等方法，对我国全民健身服务体系的基本理论进行了系统总结与现实考证。
为了实现人的智能与机械的力量之间的结合, 使人具备机械的力量、速度和耐力, 正在设计用于实现负荷行走功能的下肢外骨骼。机械结构的设计是下肢外骨骼系统的关键技术之一。首先基于人体行走的生物学特征, 阐述了下肢外骨骼机械结构的设计方法。
3.本课题研究的重点及难点，前期已开展工作
本课题的重点是：了解人体下肢健身的全部肌肉群以及如何健身。
难点是：下肢外骨骼系统的关键技术是机械结构的设计。首先基于人体行走的生物学特征, 阐述了下肢外骨骼机械结构的设计方法。
前期已开展工作：了解下肢外骨骼是一种新型的具有可穿戴性能的机械装置。它设计的基本思想是结合人的智能与机械的力量, 强调人机之间的交互与配合；并为进一步周密的设计做好充分的准备。
4.完成本课题的工作方案及进度计划（按周次填写）。
第1周：收集资料，借阅参考书，下载相关英文文献。
第2--6周：要求依据设计参数，设计方案，结构。
第6--11周：建立实体装配模型。对实体装配模型进行工程简化。
第11--13周：要求合理确定约束条件，分析变形量并对强度进行校核。
第13--15周：分析结论撰写论文。
指导教师意见（对课题的深度、广度及工作量的意见）
指导教师： 年 月 日
所在系审查意见：
系主管领导： 年 月 日
参考文献
[1] 李宗述.当前全民健身存在主要问题及解决途径[J].成都体育学院学报, 2000, 26( 2) :
12-14.
[2] 肖其森.对我国体育市场及运行现状分析[J].体育学刊,1998(4):65--66.
[3] 陈鹰,杨灿军.人机智能系统理论与方法[M].杭州:浙江大学出版社, 2006.
[4] 李宗述.当前全民健身存在主要问题及解决途径[J].成都体育学院学报, 2000,26(2):12-14.
[5] 清化同方.虚拟现实与系统仿真[DB/OL] .http: / /www.nuist.edu.cn /courses/jsj/GD_ jsj _ 011b/text /chapter2/sec1/part2/l8.htm,2007.
[6] 中国公众科技.能搬运100 kg重物的/外部骨架0 [DB/OL].周道其,译.
[7] 郑秀瑗.现代运动生物力学[M].北京:国防工业出版社,2002.
[8] 殷晨波,周庆敏,徐海涵,等.基于虚拟零力矩点FZMP的拟人机器人行走稳定性仿[J].系统仿真学报, 2006(9):2593-2597.
[9] 陈鹰,杨灿军.人机智能系统理论与方法[M].杭州:浙江大学出版社, 2006.
[10]卢元镇,全民健身与生活方式[M].北京北京体育大学出版社,2002;21
[11]李淑娥,西安市大众健康状况及体育行为的社会学分析[J].体育科学,2002,22（60）;73-74
[12]熊斗寅.从国际大众体育发展趋势展望我国全民健身计划的发展前景[J].体育科学,1998 18(2):22-25.
[13] Kazerooni H. Human-robot interaction via transfer of power and information signals[J]. IEEE Trans. on Systems and Cybernetics,1990,20(2): 42-49.
[14]Jean - Lou is Charles Racine. Control of a Lower Extremity Exoskeleton for Hum an Performance Amplification [D].USA:University
[15]Andrew Chu, H K azerooni and Adam Zoss. On the Biomimetic Design of the Berkeley Lower Extremity Exoskeleton(BLEEX)[C].Proceedings of the 2005 IEEE International Conference on Robotics and Automation,2005.4345-4352.
3
收藏