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下肢外骨骼助力机器人设计研究


李巍巍
2014 年 02 月
中图分类号:
UDC 分类号:





下肢外骨骼助力机器人设计研究






作者姓名李巍巍
学院名称机械与车辆学院
指导教师张虎副教授
答辩委员会主席张之敬教授
申请学位工学硕士
学科专业机械工程
学位授予单位北京理工大学
论文答辩日期 2014 年 02 月
Design research of the lower extremity exoskeleton robot













Candidate Name: Weiwei Li
School or Department: Mechanical Engineering
Faculty Mentor: Assciate Prof. Zhanghu
Chair, mittee: Prof. Zhijing Zhang
Degree Applied: Master of Engineering
Major: Mechanical Engineering
Degree by: Beijing Institute of Technology
The Date of Defence: February,2014
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外
骨
骼
助
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机
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人
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计
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究









北
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研究成果声明
本人郑重声明:所提交的学位论文是我本人在指导教师的指导下进行
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特此申明。

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学位论文;⑤学校可以公布学位论文的全部或部分内容(保密学位论文在
解密后遵守此规定)。

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导师签名: 日期:
北京理工大学硕士学位论文
摘要
外骨骼助力机器人是一种穿戴于人体上、随身为人体提供助力、协助人体行走的
助力装置。同轮式助力装置相比,他具有携行方便、动力强劲等诸多优点,适用于多
种恶劣环境下,这使得外骨骼助力机器人能够很好地满足未来单兵作战重负载、长距
离运输下的作战要求,同时也在抢险、救火、医疗等民用领域有着广泛的用途。
本文通过对国内外外骨骼助力机器人发展的研究,提出了机器人机械结构、液压
驱动、电气控制的总体设计方案。通过对不同驱动方式的比较,获得合理的机器人驱
动方式;对人脑控制人体的行走过程进行分析,研究合理的信号检测与传感器布置方
式;研究机器人的行走动力学方程,提出可靠的控制策略,建立稳定、快捷的控制反
馈方程;最后对人体结构与人体行走运动机理进行分析,得到外骨骼助力机器人的机
械结构原型。
在提出总体方案的基础上,对人体运动及 CGA 数据进行进一步分析,从而获得外
骨骼助力机器人运动所需角度、力矩与功率,在此基础上进行结构与驱动的优化设计,
获得外骨骼助力机器人的最终样机。并对样机三维模型进行运动仿真与动力学建模,
为控制方程建立提供基础和验证条件,在控制策略合理性得到验证的基础上制造外骨
骼助力机器人实物样机,进行进一步的试验与分析。

关键词:外骨骼,人机结合,结构设计,强度校核,动力学分析
I
北京理工大学硕士学位论文
Abstract
The lower extremity exoskeleton is a kind of supporting system which is worn in the
human body to provide power for the human body. Compared with the supporting system
using wheel,it has strong advantages just like e