摘 要

近十几年来，世界各国都在积极发展外骨骼机器人行业 ,如今外骨骼机器人技术正在不断发展成为一项比较成熟的技术。下肢助行机构属于外骨骼机器人中的一种，大类为特种机器人，涉及多个技术领域，近年来，已经成为各个国家的发展方向。下肢助行机构可以将人和机械绑定到一齐，将人类的劣势利用机械的优势来进行互补，下肢助行机构在军事、医疗等领域有着十分重要的作用，从而下肢助行机构有着良好的未来，具有很实际的使用价值。

本次论文主要通过研究，确定下肢助行机构的设计要点及实际应用需要，根据人体运动学，对机构进行拟人化设计，把各个部件和人体的各个部位结合，分析每个构件的需求，建立三维模型，并利用仿真软件ADAMS进行运动仿真，分析机构模拟运动的方式，确定该机构是否适合使用。 此外，把人体模型和下肢助行机构模型结合，进行运动拟合度分析，分析下肢助行机构和人体模型的配合情况。最终，得出该下肢助行机构的仿真结果，确定该下肢助行机构是否合理。

关键词：下肢助行机构；人体工程学；人体动力学；ADAMS 仿真

Abstract

Over the past decade, all countries in the world are actively developing the robot industry, and now the robot technology is developing into a more mature technology. The lower limb walking aid mechanism is one kind of the outer skeleton robot, the big kind is the special robot, involves many technical fields, in recent years, has become the development direction of each country. Lower extremity aid agencies can be bound of people and machinery to together, the human weaknesses by mechanical advantage to be complementary, lower limb walking aid agencies in the military, medical and other fields has a very important role, to lower extremity can mechanism has a good future, has very practical value.

This paper mainly through the study, to determine the design points of the lower extremity of the aid walking mechanism and practical application, according to the human body kinematics, of mechanism of personification design and combine the various parts and body parts, the demand analysis of each component, three-dimensional model is established, and the simulation software ADAMS motion simulation and analysis of mechanism motion simulation method to determine whether the agency for use. In addition, combined with the human body model and the lower limb walking aid mechanism model, the fitness analysis was carried out to analyze the coordination of the lower limb walking aid mechanism and the human body model. Finally, it is concluded that the simulation results of the lower limb walking aid mechanism, determine whether the lower limb is reasonable.

Keywords: Lower limb walking aid mechanism; Human body engineering; Human dynamics; ADAMS simulation

目录

摘要 二

第1章 绪论 1

1.1 课题的来源 1

1.2 课题研究的背景和意义 1

1.3 国内外研究现状 2

1.3.1 国外下肢助行机构的研究现状 2

1.3.2 国内下肢助行机构的研究现状 2

1.4 下肢助行机构的关键技术 3

1.5 课题研究的主要内容 4

第2章 人体下肢运动机理及助行机构总体方案研究 5

2.1 引言 5

2.2 人体下肢运动机理的研究 5

2.2.1 人体下肢骨骼关节的形式 5

2.2.2 人体下肢步行模型研究 9

2.3 下肢助行机构的设计要点 10

2.3.1 下肢助行机构的拟人化设计 10

2.3.2 下肢助行机构的兼容性设计 11

2.3.3 下肢助行机构的安全性设计 11

2.3.4 下肢助行机构的刚度要求 12

2.4 下肢助行机构的总体方案 12

2.4.1总体方案一 12

2.4.2总体方案二 13

第3章 下肢助行机构结构设计及分析 16

3.1 下肢助行机构结构设计 16

3.1.1 下肢助行机构的关节机构 16

3.1.2 驱动部分 19

3.1.3 各杆件及杆长 20

3.1.4 驱动器行程的确定 22

3.1.5 传感器的布置 22

3.2 下肢助行机构中大小腿杆件的静力学分析 23

3.3 本章小结 24

第4章 下肢助行机构的仿真分析 25

4.1运动仿真及其意义 25

4.2基于ADAMS的运动学仿真 25

4.2.1 ADAMS/View环境下模型仿真 25

4.2.4 下肢助行机构的拟人化仿真 35

4.3 本章小结 39

第5章 下肢助行机构的经济性分析 40

5.1下肢助行机构价格的构成及计算 40

结论 41

参考文献 42

第1章 绪论

1.1 课题的来源

本次课题研究的题目是下肢助行机构设计及仿真，本题题目自拟。

下肢助行机构属于外骨骼机器人中的一种，大类为特种机器人，涉及多个技术领域，近年来，已经成为各个国家的发展方向^[1]。下肢助行机构把人和机械结合互补，形成一种互补关系。下肢助行机构在军事、医疗上有很重要的实用价值，能帮助很多行走不便的人群，因此对助行机构的研究具有非常强的实用价值，如何设计生产出一款实用、方便、结构合理的下肢助行机构是目前的一个重要问题。

1.2 课题研究的背景和意义

下肢助行机构，是一种特殊的，穿戴在操作者身上（下肢部分）的一体化的人机交互机械系统，综合各方面的技术，包括控制检测及信息融合等方面的机械方面的技术^[2]。下肢助行机构能提供动力来辅助人类的运动如行走、跑步等动作，将人的智力和机械的“体力”融为一体，同时可以增强人类的能力，可以很大程度上缓解人类在大负重或者在长时间行走的时出现的疲劳。下肢助行机构具有广泛的应用前景，在多个方面可以有一席之地，可用于军事、科考、救灾等很多方面，有着广泛的应用范围。

伴随着科技不断地不断地进步，下肢助行机构的技术也在突飞猛进，人类对用机器来提升自身的身体素质有这近乎狂热的追求，不断地加深对其的渴望。所以，各个国家正在不断加快这个方面的研究，力求研究出一款实用的，能提升人体技能的机构，成为了未来一个科技发展的热点。越来越多的科技团队参与到这项技术研究中来，力争抢先发发明自己独有的下肢助行机构，在其中占领一定的地位。各个国家也在外骨骼机器人上加大力度，希望能造出一款提升士兵作战能力的机构，来进行军备竞赛。同时，根据统计，中国约有2300万的肢体残疾人，他们亟须下肢助行机构来帮助他们来行走或者康复。然而，国内的下肢助行机构研究才刚刚起步，市场上并没有真正意义上的下肢助行机构，但近年来各个高校都加大了对下肢助行机构的研究力度，争取早上赶上外国先进国家的水平

1.3 国内外研究现状

1.3.1 国外下肢助行机构的研究现状

1960年，通用就已经制造了一款体积巨大、行动笨重、安全性很低可穿戴的单兵装备——哈迪曼^[4]，哈迪曼主要用来增强人体的身体运动机能。此后，麻省理工等学院也相继开展了外骨骼助行机器人的研究。