摘 要

外骨骼机器人是目前的一个研究热点，它可以帮助人类完成许多人力不可及的事情，用于军事方面可以造就超级士兵，用于医疗恢复可以帮助康复治疗，用于工业生产可以提高效率。

本论文研究了外骨骼机器人在国内外的研究现状，介绍了包括位置、姿态、坐标变换和D-H数学模型等相关的数学基础。本文还在研究了人体的下肢构造，将外骨骼机器人下肢简化为一种串联连杆模型，并且对其进行了运动学正逆分析，给出了分析过程和实验结果。

除此之外，本文还对人体的步态进行了研究分析，提出将人体的行走态分为短期稳定、长期稳定和突变态，给出了各自的预测控制策略。最后，本文对比了5种预测方式的优缺点，提出了DTW配合数据库模板进行运动预测的方法，重点解析了DTW匹配数据库模板的分析过程，并且通过实验验证了算法的正确性和对三种步态的预测效果。

关键词：外骨骼机器人；DTW；步态识别；运动预测

Abstract

The exoskeleton robot is currently a research hotspot. It can help humankind accomplish many unmanageable tasks. It can be used to create super soldiers for military purposes. It can be used for medical rehabilitation to help rehabilitation. If it is used in industrial production, it can improve efficiency

This dissertation studies the research status of exoskeleton robots at home and abroad, and introduces the related mathematical foundations including position, attitude, coordinate transformation and D-H mathematical model. This article is also studying the lower extremity structure of the human body. The lower extremity of the exoskeleton robot is reduced to a serial link model, and kinematics is inversely analyzed. The analysis process and experimental results are given.

In addition, this paper also studies and analyzes the gait of the human body, and proposes that the body's walking state can be divided into short-term stability, long-term stability and mutation state, and their respective forecasting control strategies are given. Finally, this paper compares the advantages and disadvantages of five prediction methods, proposes the method of DTW collaborating with database templates for motion prediction, analyzes the analysis process of DTW matching database templates, and the correctness of the algorithm and the prediction effect of the three gaits are verified by experiments.

Key Words： Exoskeleton Robot; DTW; Gait Recognition; Motion Prediction

目录

摘 要 Ⅰ

Abstract Ⅱ

第1章 绪论 1

1.1 研究意义 1

1.2 国外研究现状 2

1.3 国内研究现状 5

1.4关键技术 6

1.5论文的主要研究内容 6

第2章 机器人运动学及其数学基础 8

2.1位置 8

2.2姿态 9

2.3坐标变换 10

2.4 D-H表示法 12

2.5本章小结 13

第3章 外骨骼机器人下肢运动建模和解析 15

3.1人体下肢骨骼简析 15

3.2外骨骼机器人下肢模型 16

3.3下肢的正运动解析 18

3.4下肢的逆运动解析 20

3.5 仿真与实验 21

3.6 本章小结 22

第4章 控制系统设计与基于步态分析的运动预测 23

4.1人体的步态分析 23

4.1.1步态定义 23

4.1.2步态周期分析 23

4.1.3下肢传感器设置分析 24

4.1.4步态周期与下肢数据分析 25

4.2 控制系统基础设计 26

4.2.1控制系统基础硬件设计 26

4.2.2控制系统基础控制策略 27

4.2.3控制系统运动预测策略 28

4.3 运动预测算法详解 29

4.3.1运动预测原理 29

4.3.2几种常用的预测算法 30

4.3.3 DTW预测算法详解 31

4.3.4 DTW预测算法优化 32

4.4 输出部分 32

4.5 实验设计与结果分析 33

4.5.1 实验设计方案 33

4.5.2 结果分析 34

4.6 本章小结 35

第5章 总计与期望 36

5.1 总结 36

5.2 期望 36

参考文献 38

附录 41

附录A 41

致谢 42

第1章 绪论

俯瞰整个人类文明的发展史，工具的发明创造和使用，对于人类文明的进步和发展起到非常重要的作用。在农业生产中，人们使用工具耕种和劳动，例如中国古代精耕细作的代表性工具——犁，不仅仅能够加快作业进程，还能降低劳动者的工作强度^[1]。在工业生产中，工具的运用非常频繁，尤其是在近现代工业社会的发展中，而且经常需要多种不同工具搭配使用，如汽车生产线。为了满足工业、农业等不同环境下的不同需求，人类开始改进和创新各种各样的工具，用来加快生产速度、提高质量、提高生产过程中的安全性以及降低生产成本^[2]。机器人的诞生就是工具高度发展后的成果。

1920年 捷克斯洛伐克作家卡雷尔·恰佩克在他的科幻小说中，根据Robota（捷克文，原意为“劳役、苦工”）和Robotnik（波兰文，原意为“工人”），创造出“机器人”这个词，顾名思义，代替人进行生产活动的机器。

1.1 研究意义

生产工具的发展推动了人类社会的进步，而机器人的出现使得人类生产力爆炸似的发展起来。从一开始的机械手、机械臂，到如今应用到各个领域的机器人^[3]，它的种类越来越多，各方面的技术发展得越来越快，而且应用范围也越来越广泛，也越来越“聪明”。机器人虽然具备一定的智能，能够对特定环境和特殊条件的一定变化做出设定好的一些应对，但毕竟无法像人一样独立自主的思考和工作。另一方面，人工智能未来的实现还非常遥远，但为了解决机器人在多种高复杂度的环境下的高工作要求，研究人员将目光转向了将机器人与人结合到一起的新思路。想象一下，人类在拥有自主思考能力的同时，还具备强大的运动能力，这就直接解决了许多以前难以处理的难题，而外骨骼机器人就是这种概念的探索与实践^[4]。人能够在外骨骼机器人的帮助下工作，人的智慧，机器人的力量，或许单独机器人或人难以完成的任务，它可以，这就扩大了应用范围，所以外骨骼机器人便很快成为了机器人领域的研宄热点^[5]。

下面介绍外骨骼机器人在各领域的应用：

1、军事领域：打造持久负重的“超级战士”

外骨骼机器人最先在军事领域取得应用，主要可以帮助士兵提高速度、力量等基本属性，可以总结为：

1）增强作战能力：士兵可以装备数量更多、重量更大、火力输出更猛列的武器，直接提高单兵打击能力；

2）提高防护能力：外骨骼机器人外侧的防护装甲具有轻便、坚固等优良的防护属性，士兵在战场上的生存能力就有了保障；

3）提高机动能力：在外骨骼机器人的辅助下，士兵可以携带更多的辎重，突破人体极限，快速进军，机动能力会有很大的加强；

4）提高战场实时信息处理能力：外骨骼机器人的通讯系统、传感系统等信息传递处理单元，可以加强士兵对战场态势的感知能力，同时指挥部能通过通讯网络提高指挥效率，可以精确到单个士兵。

2、工业领域：机器辅助人工作

工业领域的外骨骼机器人发展得更快，它可以直接辅助人类进行工业生产，大大提高工作效率，增强工人的工作安全性和舒适性，降低生产成本，在制造业、矿业、建筑业等行业有很广阔的应用，对于地震等的紧急救助和一些危险工作有很好的适用性。

3、医疗领域：康复助残已经产业化

外骨骼机器人最基本的功能，就是通过固定的骨架辅助人类进行行走等基本活动，在医疗领域多用来康复治疗，其可用于帮助残疾人、老年人、四肢无力患者、瘫痪病人等自主行走。预定参数的设置，使得病人的康复训练变得更科学方便，传感单元的数据会让回顾分析更简单快速。

1.2 国外研究现状

上世纪60年代开始，美国军方与通用电气公司合作，研制出“哈迪曼”^[6]（Hardiman）——一种单兵辅助装备，能辅助人体运动的外骨骼装置。“哈迪曼”有液压和电动两种驱动混合作用，它的力反馈感应系统能感应并且在一定程度上分析穿戴者的动作意图，可以跟随人体的自然动作，其力量放大比为25。不过当时的技术有限，全套“哈迪曼”外骨骼装置重量高达680千克^[7]，穿戴者的行走速度只有0.7米/秒，如图1.1所示。

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