摘要 随着科学技术的发展，下肢外骨骼机器人作为一种典型的人机一体化助力装置，在军事领域和生物医学等领域得到了越来越多的重视，是智能机器人的又一重大突破。该研究融合了机器人学、机构学、人机工程、控制理论以及福祉工程学等学科。外骨骼通过提取人的运动信息控制机器腿，通过机器腿来完成依靠人的自身能力无法完成的负重、远行等任务。此外，下肢外骨骼机器人也可以用来检测人体的运动信息，通过深度学习辅助残患人士行走，以达到康复治疗的目的。 本文查阅了国内外相关研究的文献资料，了解了国内、外相关研究的背景、研究进展和未来的总体发展方向，总结了人体下肢骨骼模型和下肢骨骼的运动机构特征、步行运动的序列、步行过程中的关节功能等，建立了下肢外骨骼三维模型，并对外骨骼的髋关节、膝关节和踝关节等重点关节结构进行了详细设计。外骨骼机器人在运动过程中需要与人体正常运动保持高度的一致性，因此考虑穿戴者的舒适性以及人机工程学设计了各关节的自由度以及杆长可调机制。通过介绍不同驱动方式的优缺点最终确定电机以及减速器方案并通过分析所得驱动力矩和功率完成电机以及减速器的选型。为适应不同的路况，在足底设计了缓冲避震装置，以保证穿戴者在行走过程中的舒适性和平稳性。 关键词：下肢外骨骼；结构设计；步态规划；缓冲避震 Abstract With the co
nti
nuous developme
nt of scie
nce a
nd tech
nology, lower extremity exoskeleto
n robot as a typical ma
n-machi
ne i
ntegrated power pla
nt, i
n the biomedical a
nd military fields have bee
n more a
nd more atte
ntio
n, is a major breakthrough i
n i
ntellige
nt robots.The study i
ncorporates discipli
nes such as mecha
nics, ergo
nomics, robotics, co
ntrol theory, a
nd welfare e
ngi
neeri
ng. This ki
nd of exoskeleto
n relies o
n huma
n motio
n i
nformatio
n to co
ntrol the robot, through the robot to complete the ability to rely o
n their ow
n ca
n
not be do
ne alo
ne load, travel a
nd other tasks. I
n additio
n, exoskeleto
n robots ca
n also be used to detect the moveme
nt i
nformatio
n of the body, through the depth of lear
ni
ng to assist disabled people walki
ng to achieve the purpose of rehabilitatio
n. This paper reviews the literatures of releva
nt research at home a
nd abroad, i
nvestigates the backgrou
nd, research progress a
nd future developme
nt of domestic a
nd foreig
n research. It summarizes the characteristics of the moveme
nt of the lower limb a
nd the moveme
nt of the lower limb, the seque
nce of walki
ng, The joi
nt fu
nctio
n of the process, the establishme
nt of the lower limb skeleto
n three-dime
nsio
nal model, a
nd the exoskeleto
n of the hip, k
nee a
nd a
nkle joi
nt structure such as the focus of the desig
n. The skeletal robots
need to mai
ntai
n a high degree of co
nsiste
ncy with the
normal moveme
nt of the huma
n body duri
ng exercise. Therefore, co
nsideri
ng the comfort of the wearer a
nd the i
nterperso
nal e
ngi
neeri
ng, the freedom of each joi
nt a
nd the mecha
nism of adjusti
ng the le
ngth of the joi
nts are desig
ned. Through the i
ntroductio
n of the adva
ntages a
nd disadva
ntages of differe
nt drive methods to determi
ne the fi
nal motor a
nd reducer program a
nd through the a
nalysis of the drive torque a
nd power to complete the motor a
nd reducer selectio
n. I
n order to adapt to differe
nt road co
nditio
ns, i
n the foot of the desig
n of the cushio
ni
ng device to e
nsure that the wearer i
n the process of walki
ng comfort a
nd stability. Key words：Lower extremity exoskeleto
n；Structural desig
n；Gait pla
n
ni
ng；Buffer shoc 目录 设计任务书i 摘要i Abstract i 第1章绪论1 1.1选题背景与研究意义1 1.2国内外研究现状及发展动态2 1.2.1国外研究现状及发展动态2 1.2.2国内研究现状及发展动态4 1.3本课题的提出及结构5 1.3.1主要内容5 1.3.2结构6 第2章人体下肢运动机理分析7 2.1人体下肢解剖学概述7 2.1.1名词术语解释7 2.1.2下肢各关节运动特点分析8 2.1.3步态周期时相分析11 2.2负重行走对步态的影响11 2.3下肢外骨骼设计要求12 第3章外骨骼结构设计与三维建模13 3.1零件的三维模型15 3.2下肢外骨骼装配18 3.3各个关节设计20 3.3.1髋关节设计20 3.3.2膝关节设计21 3.3.3踝关节设计22 3.3.4限位装置设计24 3.4腿杆设计24 3.5背部承物架设计25 3.6缓冲足底设计26 3.6.1概述26 3.6.2缓冲足底三维模型27 3.6.3脚跟设计28 3.6.4脚趾设计29 3.7外骨骼三维模型30 第4章减速器和电机的选择31 4.1驱动系统的确定31 4.2驱动电机、减速器的选择计算32 第5章关键零部件的计算与校核35 5.1直齿圆锥齿轮的计算与校核35 5.2轴的计算与校核38 5.3轴承的校核40 5.4腿杆的校核42 第6章环保与经济性分析45 第7章总结与展望46 7.1总结46 7.2展望46 参考文献47 结束语49 附录：外文资料及翻译50 第1章绪论 1.1选题背景与研究意义 下肢骨骼是一种能够对生物柔软器官提供进行构型、建筑和保护的外部框架结构。下肢外骨骼机器人是一种可穿戴的仿生机器人，即穿戴在人身体外部的一种机械结构，它可以为穿戴者提供支撑、保护和运动增强的能力。传统轮式交通工具是目前机器负重和远行的主要方式，而且其对路面环境要求较高。在很多领域无法成功完成预定目标，例如在军事行动、科学考察、消防营救等领域[1]。随着研究的深入开展，人们发现受现有控制方法和环境感知的限制，类人型机器人有着严重的缺陷，包括决策和与人体的高度结合的能力[2]。因而将人的智慧与机器所具备