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外骨骼机器人的设计与控制近年来，随着科技的不断进步，人们对机器人的需求和关注度不断提高。
外骨骼机器人作为机器人领域中的一种特殊形态，备受人们的青睐。
它不同于其他机器人，它具有让人们思考人与机器之间的交互方式的特殊性质。
本文将从设计和控制两个方面，介绍外骨骼机器人的相关知识，希望对您有所帮助。
一、外骨骼机器人的设计外骨骼机器人的设计分为机械设计和电子设计两部分。
机械设计需要考虑外骨骼机器人的形状和机械结构，以实现外骨骼机器人对人类身体的协同作用。
电子设计则是指外骨骼机器人的控制和传感系统。
1. 机械设计外骨骼机器人的结构可以分为上肢外骨骼机器人和下肢外骨骼机器人。
上肢外骨骼机器人通常由肩部上升支撑系统、肘关节伸屈支架及手臂末端掌握装置三部分组成。
下肢外骨骼机器人则通常由髋关节伸屈支架、膝关节伸屈支架及足踝支架三部分组成。
在机械设计中，需要考虑的问题之一是机器人的重量分配。
机器人重的部分需要设立支持系统来减轻负荷。
还需要考虑不同材料的应用，比如是否使用碳纤维等轻质材料。
2. 电子设计外骨骼机器人的电子设计主要包括外骨骼控制系统和外骨骼传感系统。
外骨骼控制系统的设计主要考虑机器人运动的控制问题。
在设计控制系统时，需要根据机器人的运动情况确定传感器位置和种类，以便传输控制信号。
此外，需要设计完成电子控制板和相应程序，以实现机器人的运动和动作控制。
外骨骼传感系统则主要用于捕捉人体的行为和状态，以提供反馈。
其中常用的传感器有EMG传感器、力传感器和惯性传感器等。
二、外骨骼机器人的控制外骨骼机器人的控制分为运动控制和力控制两个方面。
运动控制旨在让机器人的运动轨迹与人体的健康运动轨迹相符合，并对人体肌肉产生最小的影响力。
力控制任务则是实现响应人的力冲击（比如行走时脚的着地冲击）并避免机器人的运动对人体的危害。
1. 运动控制外骨骼机器人的运动控制通常有两种方式：一种是使用运动捕捉技术；另一种是使用IMU和惯导系统，利用离线跟踪算法实现力和位置的估计。
外骨骼机器人控制系统的设计与实现近年来，随着科技的飞速发展，机器人技术也不断得到升级和完善，其中外骨骼机器人备受关注。
外骨骼机器人可以帮助行动不便的人进行康复训练，也可以增加人类劳动力，提高生产效率。
为了使外骨骼机器人更加智能化、便捷化，控制系统的设计与实现显得尤为重要。
一、外骨骼机器人的构成外骨骼机器人主要由机械结构、传感器、执行机构、电源系统和控制系统五部分组成。
传感器包括惯性传感器、力传感器、视觉传感器等；执行机构包括电机、气缸、液压缸等；电源系统主要提供机械设备和电子设备的电力支持；控制系统是外骨骼机器人的“大脑”，通过对各种传感器数据和任务信息的处理，控制执行机构动作。
二、外骨骼机器人控制系统设计的流程1、确定机器人任务：外骨骼机器人有不同的应用场景，需要根据不同任务来设计控制系统。
2、选择传感器：根据任务需求，选择合适的传感器，进行数据采集工作。
3、确定控制算法：控制算法根据用户控制动作摆动情况、测量行进速度、测量技术数据及计算等信息，对控制系统进行处理。
4、设计控制器：根据所需功能和算法，进行控制器软硬件的设计。
5、测试并调整控制系统：通过外骨骼机器人进行测试和调整，优化控制系统。
三、外骨骼机器人控制系统实现的关键技术1、姿态控制技术：外骨骼机器人的姿态控制是针对机器人完整系统的变化而显示的动态响应控制。
2、力控制技术：外骨骼机器人的力控制技术关键是使机器人稳定性，在安全的前提下使力传感器检测到的数据控制附加部分力。
3、传感器融合技术：传感器融合技术是指将多个传感器数据融合进行处理，消除数据之间的影响，提高控制系统的精度和稳定性。
4、数据处理技术：数据处理技术是将传感器采集到的数据进行预处理，如去噪、降采样、滤波等，以提高数据质量，提高控制系统精度。
四、控制系统的实现方案外骨骼机器人的控制系统可以采用硬件控制和软件控制两种方案。
硬件控制的实现需要设计电子电路，软件控制的实现需要编写控制程序。
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文目录摘要 (I)ABSTRACT ..................................................................................................................... I I 第1章绪论 . (1)1.1课题背景及研究的意义 (1)1.2下肢外骨骼康复机器人国内外研究现状 (2)1.2.1 下肢外骨骼康复机器人国外研究现状 (2)1.2.2 下肢外骨骼康复机器人国内研究现状 (5)1.3研究现状总结分析 (6)1.4主要研究内容 (9)第2章下肢外骨骼康复机器人结构设计与系统分析 (10)2.1引言 (10)2.2下肢外骨骼康复机器人结构设计 (10)2.2.1 下肢运动机理分析与关节自由度分配 (10)2.2.2 总体方案设计 (11)2.2.3 下肢外骨骼矫形器构型设计 (12)2.2.4 减重平衡机构设计 (14)2.2.5 人机交互接口结构设计 (16)2.2.6 关键零部件强度校核 (17)2.3下肢外骨骼康复机器人运动学与动力学分析 (18)2.3.1 下肢外骨骼康复机器人运动学建模 (18)2.3.2 下肢外骨骼康复机器人动力学建模 (21)2.3.3 下肢外骨骼康复机器人仿真分析 (25)2.4本章小结 (26)第3章下肢外骨骼康复机器人控制方法研究 (28)3.1引言 (28)3.2下肢外骨骼康复机器人参考轨迹采集与分析 (28)3.3基于自适应迭代学习的患者被动训练 (32)3.3.1 自适应迭代学习控制算法 (32)3.3.2 收敛性分析 (35)3.4基于模糊自适应阻抗控制的患者主动辅助训练 (37)哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第4章下肢外骨骼康复机器人实验研究 (43)4.1前言 (43)4.2实验平台的搭建 (43)4.3下肢外骨骼康复机器人控制系统 (44)4.3.1 控制系统总体框架 (44)4.3.2 控制系统硬件集成 (45)4.3.3 控制系统硬件调试 (47)4.3.4 控制系统软件设计 (50)4.4下肢外骨骼康复机器人系列实验 (51)4.4.1 下肢外骨骼康复机器人功能性实验 (51)4.4.2 患者被动实验 (52)4.4.3 患者主动辅助实验 (54)4.5本章小结 (60)结论 (62)参考文献 (64)攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果 (68)哈尔滨工业大学学位论文原创性声明和使用权限 (69)致谢 (70)哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第1章绪论1.1 课题背景及研究的意义在中国以及全球范围内，人口老年化已成为社会发展的必然趋势。
外骨骼机器人的设计与研发在科技不断进步的时代，外骨骼机器人，一种先进的人机交互系统，已经逐渐成为了许多科技公司，甚至政府的关注重点。
外骨骼技术不仅可以增强人类的体力、精神和智能，同时也可以提升人类的工作效率和生产力，减轻劳动者的负担，从而实现了技术进步与人类福祉的有机结合。
一、外骨骼机器人的定义和分类外骨骼机器人，简单来说就是一种具备人体辅助功能的机器人，与真正的骨骼一样，可以支持人类的身体状况和姿势，并在特定的场合帮助进行工作。
根据其功能和作用的不同，外骨骼机器人主要分为医疗、工业、民用和军事等多个领域。
二、外骨骼机器人的设计和研发在外骨骼机器人的领域中，设计器和研发者是关键的角色。
作为外骨骼机器人研发的核心专家，设计师需要具备扎实的机械、电子和材料学专业知识，同时，还需要了解人类知识结构、生理构造和动作模式，以便更好地设计出符合人体工程学原理的智能装置。
而外骨骼机器人的研发则需要有多学科的知识融合，包括机械学、电子学、医学、生物学、控制论、计算机视觉等多个领域，这就要求研发人员必须具备跨学科、全方位、系统化的研究与开发能力，以期让外骨骼机器人更加适应社会的需求和变化。
三、外骨骼机器人的技术难点随着人工智能、机器学习、传感器技术等诸多技术的不断突破，外骨骼机器人也逐渐迎来了重大突破。
但是，外骨骼机器人的研究领域并不止于此。
尤其是在医疗领域，外骨骼机器人还面临着如下技术难点：1. 人体适应性：由于人体的形态、肌肉和骨骼结构存在很大的个体差异，外骨骼机器人的设计需要考虑各种不同人体情况的适应性。
2. 电力需求：外骨骼机器人在工作的过程中需要很高的电能，而将电池的能量储存时间尽量增加也是一个非常关键的因素。
3. 控制算法：要使得外骨骼机器人在人体上的运动轨迹要观察自然的身体示范，以仿真的方式来进行人体建模，使得更自然的身体动作被复现。
四、外骨骼的应用前景外骨骼机器人具有应用广泛、使用方便等优势，并且这种科技也在不断推动着社会的技术创新。
外骨骼康复机器人的设计与控制研究随着人口老龄化的加剧以及各种意外事件的频繁发生，患者的康复需求越来越高。
传统的康复方法需要庞大的人力和物力，并且难以充分满足患者的需求。
因此，外骨骼康复机器人的设计与控制研究已经成为一种新的趋势。
外骨骼康复机器人是一种可以与人体直接接触的机器人，可以帮助人体的运动功能进行康复。
它主要由运动控制系统、力/传感系统和行走算法等组成。
其中，运动控制系统是整个系统最重要的组成部分，它通过电动驱动器和传感器实现对运动平衡的控制，并可自适应调整每个关节的运动角度和力矩，在实现康复的同时，避免了对运动组织的二次伤害。
外骨骼康复机器人的设计具有许多挑战性问题，包括结构设计、动力学建模与控制算法设计等。
其中，结构设计是影响机器人性能的一个重要因素。
机器人的外形、材料和布局应该能够充分考虑人体结构的特点，具有良好的适应性和舒适性。
同时，由于机器人所承受的载荷较大，因此结构必须具有足够的强度和刚度。
动力学建模是外骨骼康复机器人控制算法设计的基础。
它通过建立机器人与人体的动力学模型，以预测人体的运动状态和相应的力矩，从而实现良好的控制性能。
同时，由于人体的运动状态和运动模式具有相互影响的特性，因此在设计控制算法时必须考虑人体的运动状态和运动模式对机器人的影响。
控制算法设计是外骨骼康复机器人的关键技术之一。
它主要包括姿态控制、步态规划、力矩控制和反馈控制等。
其中，姿态控制主要是调整机器人的关节角度，以使人体运动回路达到平衡；步态规划主要是确定每一步的运动目标和运动轨迹，以实现平稳的步态；力矩控制主要控制机器人与人体之间的力矩转换，以实现合适的支撑和摆动；反馈控制主要是通过传感技术反馈机器人与人体之间的力量信息，以实现精准的运动控制。
外骨骼康复机器人的研究具有广阔的发展前景。
它可以帮助患者恢复行动能力，减轻护理人员的工作负担，同时也可以有效降低医疗成本。
然而，外骨骼康复机器人的开发仍面临许多挑战。
外骨骼康复机器人控制策略研究随着科技的不断进步，在医疗领域也出现了许多新的技术和设备，而其中一个备受关注的领域就是康复机器人。
康复机器人，作为一种辅助治疗手段，在康复领域发挥了越来越大的作用。
相比较传统的康复模式，康复机器人可以在治疗过程中起到帮助患者迅速恢复功能的作用。
其中外骨骼康复机器人则更加突出，因其具有独特的控制策略和功能，成为了近年来研究的重点。
外骨骼康复机器人，是一种由人体机器接口控制的智能康复机器人，主要用于辅助四肢瘫痪、脑卒中和运动障碍等患者进行康复治疗。
外骨骼康复机器人采用的是外骨骼式结构，能够通过机器人的电力系统提供足够的支持力和动作，从而帮助患者进行康复治疗。
与传统的平板式康复机相比，外骨骼康复机器人具有更高的灵活性和可控性。
同时，也可以根据患者的特殊需要进行个性化设计，使其更为适合患者的治疗需求。
然而，外骨骼康复机器人的控制策略也是其关键的一环。
目前，外骨骼康复机器人的控制策略主要包括基于力矩、基于表面肌电信号、基于脑机接口和基于虚拟环境等若干种。
那么，这些控制策略分别有什么优缺点呢？基于力矩控制，是一种以患者关节的力矩为控制目标的控制策略。
外骨骼康复机器人通过传感器获取患者肌肉产生的力矩，并提供一定力矩的支持，使患者能够通过对机器人的协作控制来恢复肌肉的功能。
优点是对患者力量恢复的速度和清晰度有较好的控制，但不足之处则是其存在滞后性，控制算法需要合理设计，否则会使患者动作不够自然。
基于表面肌电信号控制，是一种以肌电信号为控制目标的控制策略。
在这种控制策略中，外骨骼康复机器人通过传感器获取患者的表面肌电信号，并利用机器学习算法将其转化为匹配的动作。
这种控制策略的优点在于可以在无需外部控制的情况下将控制权交给患者自己，但不足之处是其易受干扰，同时也容易对患者情绪造成影响。
基于脑机接口控制，是一种以大脑信号为控制目标的控制策略。
这种控制策略主要通过将脑电波转化为机器可识别的电信号来实现。
外骨骼机器人研究与设计外骨骼机器人是一种可以穿在身上的机器人，它可以增强人类肢体的力量和自主移动能力。
外骨骼机器人的研发已经取得了重大的进展，这种机器人已经成为了越来越多研究机构和企业的研究重点。
一、外骨骼机器人的研究现状外骨骼机器人最初的应用是在军事领域。
2000年，美国国防部资助对外骨骼机器人的研究，研究结果表明，戴上外骨骼机器人的士兵能够在山路上扛着100多磅的装备行走。
之后，为了解决失能人群机械化帮助的问题，医学界增加了对外骨骼机器人的研究。
同时，德国开发出了专门的“机器人运动员”，使得协会残疾人可以享受到运动的乐趣。
目前，外骨骼机器人已经被广泛应用于医疗、日常生活和生产制造等领域。
在医疗领域，外骨骼机器人可以帮助瘫痪患者进行肢体康复。
在日常生活领域，外骨骼机器人可以帮助人们进行搬运货物、爬楼梯等力气活。
在生产制造领域，外骨骼机器人可以提高工人的工作效率和减少工伤。
二、外骨骼机器人的设计与原理外骨骼机器人的设计需要考虑机器人的体重、力度、稳定性和电池寿命等问题，同时还需要考虑外骨骼与人类进行有效交互的问题。
从原理上来说，外骨骼机器人包括四个主要的部分：传感器、计算机、执行器和电池。
首先是传感器，它可以读取人类的姿态和动作，以对外骨骼机器人进行控制。
然后是计算机，它用于对传感器提供的数据进行处理和分析。
执行器被用来转动电动机或液压系统，以使外骨骼机器人产生相应的力和运动。
最后是电池，它能提供给外骨骼机器人所需的电力。
三、外骨骼机器人的优势与未来展望外骨骼机器人的优势在于能够增强人类的肢体功能，并且帮助人们完成一些重体力活，减轻了工人们的负担，提高了工作效率，同时也使得瘫痪患者可以完成肢体康复训练。
另外，外骨骼机器人的应用未来还将不断拓宽，应用场景也将更加多样化，例如，外骨骼机器人可以被用来支持太空步行、远程医疗等方面。
总之，外骨骼机器人的研究和设计离不开数学、力学、材料等学科的支撑。
未来，它将会不断地被应用于人类生活的各个领域，并且有可能会成为人类生活的必需品。
下肢外骨骼康复机器人控制系统设计与研究一、本文概述随着科技的不断进步，医疗康复领域迎来了前所未有的发展机遇。
下肢外骨骼康复机器人作为一种辅助人体行走、促进康复的重要设备，其设计与研究具有重要的实践意义和理论价值。
本文旨在探讨下肢外骨骼康复机器人的控制系统设计，包括硬件构成、软件编程以及运动控制策略等方面，以期为提高康复效果、促进患者康复进程做出贡献。
本文首先介绍了下肢外骨骼康复机器人的研究背景和发展现状，阐述了其在医疗康复领域的应用前景。
随后，详细分析了下肢外骨骼康复机器人控制系统的设计要求和技术难点，包括机械结构设计、传感器选型与配置、运动学建模与控制算法设计等方面。
在此基础上，本文提出了一种基于人机交互的下肢外骨骼康复机器人控制策略，以实现精准的运动轨迹控制和个性化康复治疗。
接下来，文章重点阐述了下肢外骨骼康复机器人控制系统的设计与实现过程。
介绍了控制系统的硬件构成，包括主控制器、驱动器、传感器等关键部件的选型与配置。
然后，详细描述了控制系统的软件编程，包括运动学建模、控制算法实现、人机交互界面开发等方面。
通过实验验证和临床应用测试，评估了所设计的控制系统的性能和效果。
本文的研究成果不仅为下肢外骨骼康复机器人的设计与研究提供了有益的参考，也为医疗康复领域的技术创新和发展提供了新的思路和方法。
未来，我们将继续深入研究下肢外骨骼康复机器人的控制策略和技术应用，以期为患者提供更加高效、个性化的康复治疗方案。
二、下肢外骨骼康复机器人基础理论下肢外骨骼康复机器人作为一种辅助人体下肢运动的医疗设备，其基础理论涉及多个学科领域，包括生物力学、机器人技术、控制理论以及人机交互等。
生物力学基础：生物力学是研究生物体在力学作用下的反应和适应的科学。
在下肢外骨骼康复机器人的设计中，必须充分理解人体下肢的生物力学特性，包括骨骼结构、肌肉力量分布、关节运动范围等。
这些特性为机器人设计提供了重要的参考依据，确保了机器人在辅助人体运动时能够符合生物力学规律，避免对人体造成不必要的损伤。
外骨骼机器人控制原理与设计嘿，朋友们！今天咱就来唠唠外骨骼机器人控制原理与设计这档子事儿。
你说这外骨骼机器人啊，就像是给人穿上了一套超级装备！它能帮咱干好多事儿呢，就像给咱加了一股神奇的力量。
咱先说说这控制原理哈。
你可以把它想象成是大脑指挥身体行动一样。
外骨骼机器人也有自己的一套“大脑”系统，能感知人的动作和意图，然后迅速做出反应，配合人一起行动。
这就好比你和一个特别默契的伙伴一起做事儿，你一个眼神，它就知道你要干啥。
那这“大脑”是咋工作的呢？这里面可就有好多门道啦！有各种传感器，就像人的眼睛、耳朵一样，能收集各种信息，然后通过复杂的电路和算法，转化成机器人能懂的语言。
这是不是很神奇？就好像它能听懂咱的心里话似的。
再说说这设计。
那可得精心雕琢啊！要考虑人的身体结构、活动范围，还得让机器人穿起来舒服，不能太笨重。
这就跟咱买衣服一样，得合身、得好看、还得穿着舒服。
要是设计得不好，那可就成了累赘啦！你想想，要是外骨骼机器人设计得不合理，要么这儿卡一下，要么那儿磨得慌，那还咋用啊？所以设计师们可得下大功夫，把每个细节都考虑到。
而且啊，这外骨骼机器人的应用那可广了去了。
在医疗领域，能帮助那些行动不便的人重新站起来，走起来，这多了不起啊！在工业领域，工人可以借助它干重活，减轻身体负担，这不是挺好的嘛！咱中国在这方面也发展得很不错呢！科研人员们不断努力，让我们的外骨骼机器人越来越先进。
这就像我们的高铁一样，从无到有，从落后到领先，多让人自豪啊！这不就是科技的魅力吗？它能让我们的生活变得更加美好，能帮我们做到以前想都不敢想的事情。
所以啊，大家可别小瞧了这外骨骼机器人，它的未来可不可限量呢！咱就等着看它给我们带来更多的惊喜吧！这可不是我在吹牛，不信你就等着瞧！。
外骨骼康复机器人控制系统设计与实现外骨骼康复机器人是一种可以协助受伤或残疾人进行康复训练的机器人。
在康复治疗中，外骨骼机器人可以帮助患者进行步态训练、肌肉力量训练等，从而加快康复进程。
外骨骼机器人的控制系统是机器人实现运动的核心。
本文将介绍外骨骼康复机器人的控制系统设计与实现。
一、控制系统的设计控制系统的设计是外骨骼机器人开发的重要部分。
正确的设计可以保证机器人能够正常运行并实现自身的功能。
1. 系统架构设计外骨骼康复机器人的系统架构是指机器人各个部分实现功能的结构方式。
系统架构应保证机器人的功能必须被实现。
在康复治疗中，外骨骼机器人的功能包括设置关节范围、控制关节的旋转，并确保机器人的安全性。
2. 传感器的设计传感器是控制系统的重要组成部分。
机器人需要传感器来检测人类运动和机器人自身运动。
此外，传感器还可以检测用户的身体姿态，以确保机器人的功能得到正确实现。
3. 控制算法的设计机器人的控制算法是机器人实现功能的核心部分。
机器人的控制算法采用机器学习算法和深度学习算法来实现。
能够根据患者的特定情况来进行形式化的控制，以便机器人的运动可以定制和满足患者的个体差异。
此外，控制算法还需要能够进行预测并及时响应，以消除任何问题。
4. 运动学模型的建立运动学模型是机器人控制系统的一个重要部分。
它用于计算机器人的运动速度、方向和加速度。
一个好的运动学模型可以确保机器人运动的完整性，并确保机器人的连续性。
5. 状态估计和反馈设计状态估计和反馈控制是机器人控制系统中的另一个重要组成部分。
状态估计用于实时监测机器人的状态，而反馈控制则可调整机器人的状态。
此外，状态估计和反馈控制可保证机器人的运动是平稳的，以便患者可以舒适地进行康复训练。
6. 机器人界面设计机器人界面是机器人控制系统的另一个重要组成部分。
它用于与操作者、医生和患者进行交流。
正确的界面设计可确保机器人的操作方便、准确和可靠，并可以提高机器人操作者的使用效率。
第二十一届“冯如杯”学生课外学术科技作品竞赛项目论文外骨骼机器人设计、控制机理研究院（系）名称自动化科学与电气工程学院专业名称自动化学生姓名刘旭郑博文徐健伟学号刘旭38030410郑博文38030423徐健伟38030518指导教师刘正华副教授2011年4月1日摘要外骨骼，类似某些动物的外壳，是一种能穿在人身上,提供额外的动力的机械装备，能够实现行动障碍人士的康复训练以及负重行走等功能。
它主要分为三个部分：机械部分，软件部分，电气部分。
其中机械部分的主要作用是承担负重，保证系统能实现运动的功能；软件部分主要用于整个系统的数据采集、控制信号的发出；电气部分主要用于给系统供电、完成信号采集、发送和运动的功能。
我们设计制作了一种外骨骼机器人。
本文针对此项作品主要介绍了当前外骨骼机器人的研究现状和本作品的制作背景，阐述了一种负重型外骨骼机器人的设计过程及相关结构。
本文是对“外骨骼机器人设计、控制机理研究”作品的比较全面的介绍。
关键词外骨骼，机器人，PID控制，电机控制，虚拟样机AbstractExoskeletons, like the shells of some sorts of animals, are a kind of mechanical equipment that can help the disabled to learn to move normally and provide the users with extra strength to bear more than he can actually do walking or running. In general, it can be divided into three parts, mechanical part, software part and electrical t part. Among these, the mechanical part is used to bear the weight, the software part is to get state data and send out control signal and the electrical part is to power the system, pick signal and move. We have already made a sort of this, and with regard to it, this article is mainly about the previous studying condition and the background of this work. In addition, the procedure of our designing and working with the kind of exoskeletons is specifically described. This article is a comprehensive introduction to our work ‘The design of a sort of exoskeletons and study of how to control it’.Abstract Exoskeletons, Robort , PID Control, Motor control, Virtual prototype目录1 外骨骼机械结构设计 (2)2外骨骼电气控制部分设计 (5)2.1传感器 (5)2.2动力部件 (5)2.3能源 (5)3 软件部分设计 (6)4 结论 (8)5参考文献 (9)1绪论外骨骼机器人是一种可以穿戴的助力型机器人，主要结构是用于承重的仿人型四肢，通过其特殊结构可以使穿戴它的使用者完成一些仅靠人体自身无法完成的任务，在搬运、救灾、士兵负重行军、医疗等领域都具有广泛的应用前景。
通常包括负重型外骨骼机器人和医疗康复型外骨骼机器人。
前者用于辅助人的负重，比如在救灾和战争条件下辅助使用者携带重负荷装备以正常速度行进，后者用于医疗，比如卒中及瘫痪病人的标准步态康复训练和辅助残疾人的正常行走。
按结构可分为上肢外骨骼系统、下肢外骨骼系统或者两者兼有。
20世纪60年代美国通用电气公司曾经开发出一种名为“Hardiman”的机器手臂，可以使戴上它的使用者轻易举起100千克以上的重物。
之后对外骨骼机器人的研制取得了一些进展。
近几年，随着相关技术的发展，外骨骼在军事、医疗等方面的应用越来越广泛。
日本筑波大学开发出一种能辅助残疾人以4km/h速度自如行走和上下楼梯的商业外骨骼机器人“Hybrid Assistive Limb”；美国“国防远景研究计划署”在加州大学伯克利分校研制出能通过计算将士兵的载荷分配到一对金属钢架仿生腿上的外骨骼机器人“BLEEX”，使穿戴者在行动过程中自身负荷最小；美国洛克希德-马丁公司新型人类外骨骼负重系统“HULC”可以使士兵负重91kg并以正常状态前进。
类似的产品还有用于瘫痪病人康复训练的外骨骼系统“Locomat”、“Hapticwalker”等，日本神奈川工科大学、韩国西江大学、新加坡南洋理工大学等地高校也在进行相关研究。
目前该项目的国内的研究状况与国外相比差距较大，只有少数科研院所开展过相关研究工作：如北京航空航天大学研制出用于外科手术的机器人遥操系统；中国科学院研制出一种下肢外骨骼机器人；浙江大学研制出一种气动驱动外骨骼机器人；哈尔滨工业大学、上海交通大学等学校也进行了外骨骼机器人的相关研究。
目前外骨骼研制所要解决的主要内容包括：建立基于生物力学的外骨骼机械结构使人体负重能通过骨架传递到地面并且适于使用者行动；外骨骼软硬件控制平台的实现，包括用于人体步态识别的采样系统、实时控制系统及人机交互的传感器；针对人体步态特征设计高密度能量输出、抗冲击、低能耗的关节力驱动系统；小型高密度能量供给系统的研制等。
针对目前外骨骼机器人的研究现状我们选择此题目为我们竞赛的对象。
本项目的总体思路是：针对负重型的下肢外骨骼系统，设计仿人型机械腿与人体固联，在使用时通过分布于外骨骼的足底力传感器和膝部角度传感器数据获得人体步态参数，将数值通过A/D转换传递至控制系统PC104进行处理，输出控制信号经过D/A转换，驱动两个分别位于左右两腿部的电动机，带动机械腿的运动，从而实现外骨骼对人体步态的跟随。
在本项目的具体技术方案设计中，主要进行了如下四个方面的工作：机械结构设计、电气部分设计、控制算法及控制部件设计、系统调试与完善。
本文作为该项目的项目研究论文，从这几个方面比较详细地阐述了此项目的设计方法和制作过程。
2 外骨骼机械结构设计外骨骼机器人的整体机械结构如图。
为使人机在运动中始终保持紧密贴合，完成对人体步态的跟随，我们选择了仿人形结构设计方法，各个部件形式和连接方式和人体腿部结构和关节类似，使其在运动过程中更贴合人体肢体运动形式。
其承重部件是机械大腿、机械小腿和机械脚掌。
该结构在末端（腰部与足部）进行固联，在大、小腿处采用柔性绑带连接，实现人机间的协同。
该方法可以允许人和外骨骼之间具有一定的运动位置误差，避免在运动过程中，由于过度的刚性连接，导致较大的作用力施加在操作者的身上，保证在人与外骨骼运动自由度并不完全吻合的情况下，实现最佳接触效果，维持了人机间合适的连接刚度。
在大腿和小腿上都设置了可以调整长度的孔，能通过销钉伸缩；在背架部位设置了可以调节两腿间距离的孔，这两个机构可以根据使用者的体型调节外骨骼使其适合人体运动。
在每条腿的足部脚掌、膝关节设置机构为安装力传感器和角度传感器提供空间。
大腿上方设计了相关机构，使电机减速器可以和大腿固连。
背架后方设置一个箱体，内置PC104及其附属控制电路。
具体实物照片如下。
整个机械结构采用铝制造并打了减轻孔，以减轻机械重量。
本套外骨骼机器人，机械结构设计由本小组成员亲自完成，机械结构预想图和最终实物如图所示。
整体上，本套外骨骼机器人的接卸结构可以分为如下几个部分：大腿（左右），小腿（左右），足底，背架。
整体机械结构采用铝合金制造，需要由电机驱动部分（小腿）重量为498克，整体结构（不包含控制箱）总重量约为5千克。
在各个部分的设计中，为了人机在运动过程中始终能保持紧密贴合，同时外骨骼机械结构能实现良好、无干涉的随动运动效果，故此我们选择了仿人形结构设计方法。
对于主要关节、弯曲点的选择和设计，都参照着人体真实测量数据；最终的组装和实体穿戴、无干涉的运动效果证实了本套机械结构具有一定的合理性。
对于结构各个部件的功能和连接方式，做如下介绍：背架背架的主要起到放置控制箱，固定背带的作用。
背架下端设计有嵌入式的伸长轴，同大腿结构以键连接的方式连接，并且并排的键孔保证了高度的调节和灵活。
腿部结构腿部结构由大腿和小腿构成，并且承担着负重和传导力的功能。
大腿同背架以可插拔键的形式连接；大腿同小腿在保证转动无干涉的情况下，用螺栓联结；同时考虑到人和外骨骼机械结构之间存在有一定的运动位置误差，并且尽量避免在运动过程中由于过度的刚性联结而到导致的过大的作用力，大腿、小腿分别安装有弹性绷带，穿戴方便，并且同人体绑紧后，实现了人体和外骨骼运动自由度并不完全吻合的情况下，达到最佳接触的效果，维持了人机间合适的连接刚度，也满足了运动过程中的人体姿态动态变化的要求。
在小腿下方同足底连接的设计中，为了便于不同身高的穿戴者进行调整，采用了附加伸长轴的机构方式。
该伸长轴上设计有不同高度的定位孔，通过可插拔的销钉同小腿连接，实现高度的调整，以增加穿戴的舒适度。
3外骨骼电气控制部分设计3.1传感器由于负重类下肢外骨骼的应用主要是针对户外环境条件下的减轻负重和长距离行走，针对不同的穿戴者和不同步态都要求有一定的适应性，所以本项目中通过设置若干传感器来采集人体行走过程中的相关数据，据此来判断人体运动步态。
这些传感器分别是：位于每条腿的足部脚掌的力传感器，通过传感器测得的力的大小数据分析当前步态；分别位于两个膝关节的角度传感器，测量当前摆动期间运动状况。
这4个传感器测得的数据是控制计算的数据来源。
3.2动力部件本项目外骨骼机器人采取直流电动机驱动方式。
此种方式成本较低，并且可以获得较好的控制精度以及较好的维护性能和可靠性。
动力部件是2个带变速箱的直流电动机。
电动机经减速器减速后带动一个滑轮，滑轮上缠绕有金属丝，电动机旋转带动金属丝伸缩，将旋转运动变为直线运动，滑轮金属丝的伸缩可以驱动机械结构中膝关节的旋转，实现外骨骼对人体运动的跟随。
2.3能源下肢外骨骼机器人能源的可选方法，主要有燃料电池，锂电池，小型内燃机等。
