摘 要

Abstract II

1 绪论 1

1.1 研究的背景和意义 1

1.1.1研究背景 1

1.1.2研究意义 2

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1国外研究现状 2

1.2.2国内研究现状 5

1.3 本文研究内容 7

1.3 本章小结 7

2 人体下肢运动机理分析 8

2.1 人体下肢生理结构 8

2.1.1 人体参考平面和轴系 8

2.1.2 人体下肢关节和骨骼 9

2.2 人体下肢运动分析 11

2.1.2 下肢步态分析 11

2.2.2 下肢尺寸和运动范围 12

2.3 本章小结 13

3 外骨骼机器人运动学基础 14

3.1 机器人位姿表示 14

3.1 齐次变换矩阵 15

3.3 机器人D-H表示法 16

3.3 本章小结 17

4外骨骼机器人运动学仿真 18

4.1 运动学分析 18

4.1.1 正运动学求解 19

4.1.2 逆运动学求解 20

4.1.2 动力学分析 22

4.3 运动学仿真 25

4.3 本章小结 28

5总结和展望 29

5.1 总结 29

5.2 展望 29

摘 要

负重型外骨骼机器人是一种可穿戴式机器人，它可以为人的行走提供助力，作为人机一体化的一种智能设备，在如今越来越受到重视。外骨骼机器人可以应用于军事领域，帮助士兵携带装备，也可以应用于医疗领域，帮助行动不便者正常行走，近年来，外骨骼机器人已经逐渐扩展到民用领域，并且具有非常广阔的前景，本文所研究的就是用来提供行走助力的负重型外骨骼机器人，研究内容包括以下几个方面：

根据外骨骼机器人的可穿戴的特点，分析了人体下肢的各个关节结构，根据关节的结构特点列出了各个关节的自由度和运动范围，介绍了了人的步态周期和下肢尺寸，为了使外骨骼机器人更加符合人体的实际情况。

为了更完善地对机器人进行运动学分析，介绍了机器人运动学相关的数学基础，包括了表示机器人位姿的齐次矩阵，齐次变换，以及重要而且实用的机器人的D-H表示法，为运动学分析提供了理论基础。

根据人体自身结构和D-H表示法建立了人体下肢外骨骼模型，对其进行了正运动学和逆运动学求解，在MATLAB中利用机器人工具箱建立了仿真模型，验证了外骨骼机器人模型和代数法的运算结果的正确性。

关键词：外骨骼机器人；关节；运动学；MATLAB

Abstract

The heavy-duty exoskeleton robot is a wearable robot. It can provide assistance for people's walking. As an intelligent device for human-machine integration, it has become more and more important. Exoskeleton robots can be used in the military field to help soldiers carry equipment. They can also be used in the medical field to help people with limited mobility to walk normally. In recent years, exoskeleton robots have gradually expanded into the civilian field and have very broad prospects. The research is to provide heavy-duty exoskeleton robots for walking assistance. The research includes the following aspects:

According to the wearable characteristics of the exoskeleton robot, the various joint structures of the lower limbs of the human body were analyzed, the degrees of freedom and the range of motion of each joint were listed according to the structural characteristics of the joints, and the gait cycle and the size of the lower limbs were introduced. Exoskeleton robots are more in line with the actual situation of the human body.

In order to better perform kinematics analysis for robots, the mathematical foundations related to robot kinematics are introduced, including homogeneous matrix representing robot poses, homogeneous transformations, and the DH representation of important and practical robots, which provides the theoretical basis.for kinematics analysis.

According to the human body's own structure and DH representation, the lower extremity exoskeleton model of the human body was established. The kinematics and inverse kinematics were solved. In MATLAB, a robotic toolbox was used to establish the simulation model, and the exoskeleton robot model and algebraic method were verified the correctness of the result of the operation.

Key Words：exoskeleton robot；joint；kinematics；MATLAB

1 绪论

1.1 研究的背景和意义

“外骨骼机器人”一词在20世纪60年代开始普遍存在，当时的研究开始专注于开发负载增强和康复系统，随着新技术的兴起，研究水平在不断的增长。从本质上讲，这种外骨骼是可穿戴系统，它可以帮助穿戴者执行各种任务，如拾取和放置重物，搬运重物，减轻体力劳动者的负担，并将对严重受伤的患者进行康复治疗。外骨骼机器人也可用于协助执行日常生活任务，例如步行，搬运物体，上下楼梯，坐下站起。现在阶段正在进行的研究包括了军事，医学在内的各种应用。

1.1.1研究背景

在人类的发展过程中，总能遇到各种各样的挑战，在克服困难的道路上，人类凭借着智慧创造出许多工具。这些工具的出现，不仅带来了劳动力的提高，也推动了科技水平的发展。机器人就是人类在科技发展过程中所创造出来的智慧的结晶，它的出现与工业的进步息息相关，现在的机器人，已经被广泛应用到了工业生产中，并且逐渐的被推及到更广阔的应用范围，如人形机器人，服务型机器人，医疗机器人等等领域。

近年来，机器人学科，机器人控制技术，机器人电子技术，机器人机械技术水平的不断前进，一直推动着机器人向智能化的方向发展。现在应用比较广泛机器人可以完成一些基本的动作，比如加工，负重，搬运等，而人类对机器人的要求越来越高，对人型机器人的关注度也越来越高。机器人可以完成人类指定的动作，但是在遇到设定的条件以外的情况时，机器人很难根据所处的情况来作出相应的应对措施。机器人的缺陷在于，当处在一个全新的环境中时，无法保证它们能够独立自主地完成任务，因为机器人始终是一种机械装置，没有人类的智慧和思维，也缺乏人的灵活性，这就造成了它的局限性。在技术发展越来越快，产品更新换代越来越频繁的今天，对机器人的性能提出了更高的要求，不仅要能完成任务，还要能够应对越来越复杂的工作情况。

机器人的优势在于，拥有强大的力量和稳定性，而人类拥有高超的智慧和灵活性，如果将二者结合起来，将可以完成各种复杂的任务。因此，许多科学家提出了一种新型的外骨骼机器人。外骨骼机器人是一种可穿戴的人机一体化的机械装置，加强了人的行动能力，扩大了人的运动范围，应用前景十分广泛。

1.1.2研究意义

汽车的出现是为了提高人的出行能力，计算机的出现是为了提高人的分析能力，而外骨骼机器人的出现，是为了提高人的运动能力和承重能力。外骨骼机器人所具有的先进的技术和功能，使得它在许多领域都能发挥作用。

据统计，我国60岁及以上老年人口数量达2.41亿，已经达到了总人口的17.3%。老龄化给家庭和社会带来一定的负担，因为老龄化一般所面临的问题都存在力量和耐力不足，从而产生了老年人的行动不便的普遍情况。外骨骼机器人可以很好的解决这类问题，外骨骼机器人不仅可以为他们提供支撑和保护，而且可以提供他们所不具备的腿部力量。如果老年人能够穿戴上外骨骼机器人，那么他们就可以完成独立的出行，一些比较困难的地形比如上下楼梯，上下坡等，也能够轻松地完成。老年人出行的问题得到解决以后，人口老龄化的压力在一定程度上也能得到一部分的缓解，所以外骨骼机器人对于我国的经济发展和社会稳定具有着非常现实的意义和价值^[1]。

在军事领域，现代的技术已经使得军事装备不断地更新换代，各种高科技武器层出不穷，在加强了作战能力的同时，也使得单兵作战成为了战争的主体。现代的士兵，需要完成的任务相对而言比较复杂，也经常需要执行一些特殊任务。随着装备的升级，功能的增加，士兵所需要承担的重量也在逐渐的增加，虽然提高了士兵的功能性，但是却影响了他们的机动性，灵活性。过多的负重为士兵带来了很大的不便，对整个队伍来说，降低了他们的行动效率。外骨骼机器人如果配置在军队里，将会给军队带来巨大的提升。士兵们可以减轻负担，增强负重能力，在减少体力消耗的同时携带更多的武器弹药，不仅如此，还能提高他们的机动性和行动能力，在长途跋涉和运送物资的时候能够提供长久的助力，从而大大的增强作战能力，具有非常重要的战略意义和研究价值。

1.2 国内外研究现状

作为一个非常有研究价值意义的研究热点，外骨骼机器人一次又一次地引起国内外研究的热潮，经过近年来的不懈努力，国际上对外骨骼机器人的研究已经取得了一些实际性的成果，有些国家甚至已经产生了一些样机以及在某些领域有了一定的应用。国内的许多实验室对外骨骼机器人的研究也取得了代表性的成果，技术方面也还在继续地前进。

1.2.1国外研究现状

在20世纪60年代后期，通用电气研究开发并测试了一种基于主从系统的身体放大器原型，称为“哈迪曼”，这是一个巨大的液压驱动系统，但它只能举起一只手臂。直到最终结束时，这个系统还没有完善。20世纪70年代左右，塞尔维亚进行了几项相关的研究项目，80年代麻省理工学院进行了类似的研究，但由于技术的不足，特别是在硬件方面，没有起到一定的效果。在20世纪末，随着计算机科学以及控制和驱动技术的快速发展，DARPA认为当时的技术基础已经足够，他们启动了一项为期7年的项目，总投资5000万美元，并预计在十年内投入服务，从那时起，外骨骼的研究出现了复兴的发展趋势。除美国军队外，日本，俄罗斯，英国，德国，韩国和新加坡等地的许多学院和研究所也开展了自己的项目^[2]。在二十一世纪的最初几年里，这些机构做出来了许多颇有价值的成果，这使得人们普遍乐观地期待着外骨骼机器人的研究。但是之后的发展陷入困境，并且在随后的几年中几乎没有成就。虽然在2008年和2009年，一些文章报道了了最新的进展，并讨论了未来发展的方向。然而，技术上的困难远大于预期，许多原来是非本质的工程问题一下子成为了主要的挑战。

图1.1 美国通用“哈迪曼”外骨骼

在2004年，美国加州大学的伯克利分校的实验室研究出来了首台能够实际工作的外骨骼机器人，将它命名为“BLEEX”。BLEEX为下肢外骨骼机器人，它采用仿人设计，髋关节和踝关节有3个自由度，膝关节有1个自由度，它的组成是大腿，小腿，背板以及液压系统。在外骨骼上安装了多个传感器和驱动器，根据人的运动给计算机发送信息，通过人与机器之间的作用力，根据不同的情况相应地调整机器人的状态，使人机之间融合更加紧密，不同穿戴者的适应性也更强。虽然BLEEX实现了载人行走，但是BLEEX在结构和控制系统方面是相当复杂的，它限制了使用者的运动，只能是在非常低的速度下行走，总的来说，它的实用性达不到要求。

图1.2 BLEEX外骨骼机器人