1. 研究目的与意义（文献综述）
背景：当前我国人口总数增多，由于交通事故频发，不少人变成残疾人，终身需要在轮椅上度过。由于腿部肌肉萎缩或者关节受伤不能过大承受负重不能行走。据统计，网上非官方公布数据显示，我国2014年一季因交通事故设计人员伤亡的交通事故为40283起，直接财产损失达人民币2.1亿元。2014年全年的涉及人员伤亡道路交通事故16万起左右，直接损失在八亿左右。2015年相比2014年有所下降，但是仍有许多人遭受双脚不能行走的痛苦。除此之外，一个健康的人，说他负重300斤都是有可能，但是如果说100个人平均能负重300斤只是可能性比较低的，所以说，人是有极限的，我们需要依靠工具去提高我们的极限，去挑战我们的极限。
意义：对于一个不能靠自己一个人行走的残疾人，每天需要一个护理师来陪伴，这是一件优化时间又枯燥的的事情，通过单关节步行助力机器人，能够减轻护理师的负担，也能提高治疗质量，提高患者的康复效果。对于山路崎岖，需要负重行走，或者老年人体力不支的情况下，单关节步行助力机器人能帮助我们方便在山区行走，老年人爬楼梯等多种地方，为我们的生活带来各种各样的方便。
研究现状：自20世纪90年代初以来，国内外很多机构都研究出了康复训练设备与负重减轻设备，并进行了临床实验和取得了初步成果。下面研究成果是根据ei，ieee和cnki等数据文献资料，介绍国内外研究动态。
2. 研究的基本内容与方案
（1）基本内容：
该研究设计的基本内容主要是围绕解决单关节步行助力机器人帮助残疾人行走，加快双腿康复效率，帮助老年人行走问题，减轻双腿负载压力，方便人类生活。
（2）目标：
研究这个课题的目标是为了了解步行助力机器人在国内外研究水平，并了解研究方向，从而去认识到当前研究水平的发展，进而提出问题，解决问题。步行助力机器人研究已有多年，发展技术已经相当成熟。当前的关键问题依旧是：1位置伺服2碰撞冲击及稳定性研究3位置环境的约束研究4力传感器，就因为机器人本身而言，存在时变，强耦合性和不确定性等缺陷，所以需要我们不断改进数学建模以计算法.一个好的机器人需要设计策略的精准度，稳定性以及适应性。
（3）技术方案：
首先我们要先了解人行走的步态，一个周期内，分析每一个步态的作用以及受力规律,分析行走时脚步的行走角度加上脚步所受力矩，从而建立数学模型。根据所设计的模型，我们可以设计相应的双足助力机器人的相应部件装置。人体正常行走步态周期可进一步细化为：跖屈控制相（CP）、背屈控制相（CD）、跖屈驱动相（PP）和摆动相（SW）
根据受力关系我们得选择合适的力传感器，放在合适位置。根据力传感器的传输信号，我们可了解行走的状况。根据传感器的反馈信息，我们可以实时了解步行情况，根据不同的信息来改变不同执行器来执行相应的措施。根据这次设计，我们初步确定需要传感器如下：踝关节角位移传感器、弹簧位移传感器以及足底接触传感器。
然后我们得确定数学建模，进而研究控制算法并仿真校验。在设计中，我们首先确定控制系统用需要转矩控制环、阻抗控制环与位置控制环三环系统，从而来是系统具有稳定，灵活以及准确性。在本课题中，我们选择有限状态的控制器，首先要确定有足够多的相位，然后我们得确定在行走时检测不同的相位，从而选用不同的伺服控制环来做相应的控制。
本课题采用阻抗控制，阻抗控制环由内环的力矩控制环和外环的阻抗计算组成，其主要控制任务是实现外骨骼目标力矩的控制。阻抗控制：其特点是不直接控制机器人与环境的作用力，而是根据机器人端部的位置(或速度)和端部作用力之间的关系，通过调整反馈位置误差、速度误差或刚度来达到控制力的目的，此时接触过程的弹性变形尤为重要，因此也有人狭义地称为柔顺性控制。
如图5阻抗控制环结构示意图
图5阻抗控制环结构示意图
其工作原理为：当外骨骼脚底末端受到作用力，即处于支撑相时，内环力矩控制自动闭合。同时，踝关节在脚底与地面的相互作用下产生角位移，经过阻抗调节产生期望的力矩，与力矩反馈量相比较产生控制量，控制伺服驱动器，驱动电机旋转，从而实现力的柔顺控制。
规定，垂直于水平面为角度0，靠近脚面的一侧角度为正，靠近脚跟的一侧角度为负。通过研究，一个正常的人在走路时，每走一步周期内，角度是在变化，绘制曲线关于时间和踝关节角度变化。如图6
在一个步行周期内，不同的脚步态时踝关节角度不同，不同的踝关节角度有不同的踝关节力矩来使人驱动脚走路。可以绘制关于踝关节力矩和角度的关系曲线，在人行走一个周期内，可分为四个阶段：1：CP、2：CD、3：PP和4：SW相。如图7
图7体正常行走踝关节力矩/角度特征曲线
通过由绘制的曲线图关系可得，T（转矩）和θ（角度）是有一个对应关系，当我们设定好θ与T的对应关系，只要我们得知所走步态的所处周期角度，我们便可以通过数学建模算法得出转矩大小来控制直流电动机输出转矩帮助踝关节驱动，得到省力方便的作用。
3. 研究计划与安排
2016.3.20.前查找文献以及了解最近几年该课题研究背景以及研究目的，写好开题报告
2016.3.20-2016.6.1：毕业论文设计
3月到4月中旬：熟悉并了解人体正常行走步态特征，对人体行走划分4个相位，针对不同相位采取不同的控制方式与踝关节助力外骨骼机械结构。
4. 参考文献（12篇以上）
[1]冯治国，步行康复训练助行腿机器人系统[d][j],上海，上海大学，2009
[2]殷跃红，朱剑英。机器人务控制研究综述[j].南京航空航天大学学报，1997,29（2）:220-230.
[3]陈恳，付成龙。仿机器人理论与技术[m].清华大学出版社，2010
