论文总字数：13343字

摘 要

目前，机器人行业越来越热门，其中外骨骼技术是才兴起的机器人技术，而外骨骼机器人是一种集机械设计，电子设计，通讯等方面技术的穿戴式设备。本论文主要针对辅助行走外骨骼机器人的机械设计方面进行设计。如今，越来越多的人受到步入老年生活下肢行走困难，具有行走障碍等的难题，所以将外骨骼技术应用到辅助行走的领域是一件必要的事。在欧美和日本等发达国家研究出来的成果大多是价格高昂的，因此需要针对现实情况设计一款结构简单，功能实用，价格亲民，能够获得安全、舒适的人机交互体验的辅助行走外骨骼机器人。本论文针对机械设计，从腰部，大腿，小腿，足部进行设计，对机器人需要用到的零件进行设计。以人体解剖学和人体运动学为基础，研究人体的步态情况，行走、起坐时的基本特征，对整个仿真结构设计，机械设计及其设计的合理性提供理论支持。

关键词:外骨骼，老年人，髋关节，辅助行走

A walking exoskeleton robot

Abstract

At present, the robot industry is becoming more and more popular, among which the exoskeleton technology is a newly emerging robot technology, and the exoskeleton robot is a kind of wearable device that integrates mechanical design, electronic design, communication and other technologies. This thesis mainly focuses on the mechanical design of the walking exoskeleton robot. Nowadays, more and more people are faced with difficulties in walking in their lower limbs and walking disorders when they enter the old age. Therefore, it is necessary to apply the exoskeleton technology to the field of assisted walking. Most of the research results in Europe, America, Japan and other developed countries are expensive. Therefore, it is necessary to design a walking exoskeleton robot with simple structure, practical function, affordable price, and safe and comfortable human-computer interaction experience according to the actual situation. This paper for mechanical design, from the waist, thigh, leg, foot design, the robot needs to use the parts of the design. Based on human anatomy and kinematics, the paper studies the human gait, the basic characteristics of walking and sitting, and provides theoretical support for the design of the whole simulation structure, mechanical design and the rationality of its design.

Key words：Exoskeleton, Elderly, Hip, Assisted Walking,

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 引 言 1

1.1研究背景和意义 1

1.2.2国内外骨骼研究现状 2

第二章 总体设计 4

2.1下肢外骨骼总体机械结构 4

第三章 部分设计 8

3.1外骨骼机械设计原则 8

3.2 自由度安排及结构设计 8

3.2.1 自由度安排 8

3.2.2 结构设计 8

3.3执行器的选择 8

第四章 零件设计 10

4.1 轴的设计 10

4.1.1轴的功用及设计要求 10

4.1.2轴的材料选择 10

4.2 齿轮的设计 10

4.3 套筒的设计 12

4.3.1筒类零件的功用和结构特点 12

4.3.2套简类零件的技术要求 12

4.3.3套筒类零件的材料毛坯与热处理 13

第五章 结果总结及展望 14

5.1 工作总结 14

5.2 未来展望 14

致 谢 15

参考文献 16

附录 17

第一章 引 言

1.1研究背景和意义

老龄产业属于国内及全世界的新启产业，市场前景广阔。一九九九年以来，中国已经进入人口都市化的加速地带。从我国老龄化趋势和世界老龄化趋势对比，可以发现在二十世纪初二十年，我国的老龄化程度快速提高，过去三十年，人口老龄化程度越来越严重，二十世纪后五十年，中国的老龄化程度会非常严重并且可能持续一整个世纪。而老龄产业的快速发展也预示了这一情况。

随着年龄的上升，老年人的肌肉力量逐渐下降，其中下肢力量的衰退最为明显，从而影响了老年人的活动范围受限，生活质量下降。在我国部分城市对老年人的身体功能的调查结果中我们发现，城市中的老年人的肌肉力量、柔韧性和平衡性较低，70岁之后的老年人能力下降更为明显。因此，我们应当鼓励老年人积极投入运动中去，这样不仅可以提高老年人的自己身体状况管理和身体的健康状态，还能提升肌肉的活力，保持到正常的活动能力需求。

行走的能力在不同的日常的活动中对于老年人的生活品质而言极度重要。在能够帮助到老年人行走的辅助产品中，目前成熟的仅有助力台、拐杖和没有动力的轮椅。这些辅助的工具虽然对老年人的行走起到辅助平衡性和移动的作用，但是这些产品受到很多客观因素的影响，比如环境因素，动力因素，并且需要上身的辅助才能进行行走，这使得老年人会失去行走的乐趣，在长期的使用过程中，还会逐渐的使下身的力量变弱。所以研究的装置需要解放上身的力量，便于行动，便于携带来减少环境因素的影响，提高老年人的步行功能，能够使老年人行动自由不受限制。

研究人员在智能机器人技术的不断发展中，开始将机器人的技术引入到医疗和老年人的辅助当中。在这中研究当中，大致可以分为两类，第一类是以恢复为主，主要是运用外骨骼机器人的技术辅助老年人的行走过程中使得老年人的腿部行走能力逐渐恢复甚至提升，适用于行走出现障碍，步行机能开始下降的老年人和残疾人。这种外骨骼机器人的技术不会改变行走的习惯，依旧使用脚部进行行走，通过运动不断的促使下身机能的恢复。例如，混合辅助脚（HAL）3l、辅助步长器、巴克莱生物工程学eLEGs。而第二类是利用机器人来进行代步，不会再使用脚步进行行走。适用于失去步行能力的老年人和残疾人，这种机器人是由丰田/RIKEN开发的，能用脑波控制的智能轮椅和能适应各种各样的地形和自由活动的iBOT2，由于技术问题仍然在研发当中。

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