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穿戴式下肢康复装置的设计 莫佳佳，邱毅瑞，陈达仁 波大学， 818 号， 顺化 路，宁波， 315211，中国浙江省。 湾大学， 1 号， 第 4 罗斯福路，台北，台湾， 10617, 关键词：下肢关节；康复；肌电图 摘要 ：我们提出了一种下肢康复装置来帮助受损的人恢复腿的能力。该装置由链接和弹簧组成，它的特点如下：（ 1）它是半被动和以家庭为基础的，使脑卒中患者受自己的控制进行下肢体运动；（ 2）它结构简单 ，重量轻，但它有类似的性质用于其他治疗机器人上；（ 3）动态平衡训练器和肌电图（ 行 析。结果表明，股直肌，股外侧肌和股内侧肌的训练对恢复非常好。 . 在中国，那些患有神经损伤的人，像轻偏瘫中风和一百万一年以上的交通事故。老年人和病人可能发生的肌肉无力或瘫痪，这往往限制他们大量的运动并对他们的日常生活带来不好的影响。这些设备出现，就是为了帮助他们恢复肌肉强度和康复步态。 第一个 1】康复机器人应运而生， 2012 年，许多类型的治疗设备已被陈 【 2】 等聪慧的研究者 意识到。并设计出 “ 半被动 ” 戴的康复设备，这设备的弹簧装在脑卒中患者上，使他们进行上肢控制运动训练。然而，矫形器的下肢是典型的动力。在本文中，我们提出了一个 “半被动 ”穿戴式下肢康复装置，该装置可以用来协助腿受损的人恢复腿的能力。 在文献中，已经有很多的方法能计算出重力。康复机，包括配重，弹簧和辅助平行四边形【 3。弹簧附件的选择已被证明能够平衡重量的下肢康复装置，这典型运动人体的关节力矩可以分解为重力转矩，惯性力矩和肌肉依从转矩 【 6】 。亚当斯仿真软件的研究实验方法，并探讨当穿戴下，人体下肢肌肉康复装置 的影响。 肌电图都是用来获取关节力矩和肌肉电活动的设备。 计 可穿戴式下肢康复装置，如下图所示 ,它是由木板组件和复位弹簧装置组成。复位弹簧装置连接木板和木板组件，组件包括大腿和小腿木板。一个腰带是用在大腿上的木板，其长度可调，是为了防止轴向和纵向移动。弹簧的恢复装置还包括两个滑块，它们是第一滑块和第二滑块。大腿板第一导轨与第一滑块与小腿板第二导轨与第二滑动对比。有三个弹簧安装装置。第一弹簧套在腰带和腿板之间，第二弹簧放置固定轴和小牛板之间。弹簧的作 用是将滑块间的引力势能的弹性势能弹簧做康复运动。第三个弹簧固定大腿和小腿之间的木板，可以连接大腿与小腿板。 图 1 是 可穿戴式下肢康复装置 图 1 动学模型 一个右下肢运动学和坐标系统示意图如下。下肢包括两个环节，大腿和小腿 ，大腿是从臀部到膝盖的区域 膝踝 A K 是半被动式外骨骼部分，卸髋关节和膝关节在重力的运动范围内，大腿和小腿的中心被假定固定，始终位于机器 间， 在任何瞬时。上下肢的运动可分为两运动：臀部分量 1， 2，膝关节弯曲分量 图 2 图 2 是 一个右下肢的运动学和坐标系统图 髋关节相当于一个三自由度球形关节，而膝关节建模只允许屈伸关节单自由度。在本文中，我们只需要考 虑髋关节屈曲 为他们的结合是最重要的运动下肢。一种康复装置示意图如下图所示。下肢结合外骨骼可以建模为一二连接串行连接。根据前面所述，我们在设备的适当位置添加弹簧和滑块，以使系统重力平衡。这用于下肢康复装置的弹簧装置是共面的。 图 3，相应的势能图 系统的潜在能量，由重力势能，弹性潜在能量和质量潜在能量组成。与人脚的质量比较时，大腿和小腿是相对小的重力势能，这两者是微不足道的。因此，较低的重力势能 的 四肢是 在 M t 与 间，右大腿和右小腿数量最多 ， 距离髋关节 心 的质量， C 中心 的质量 , 相应的弹性势能的 2,簧模量 2,以 推导出 三个弹簧的弹性模量， 三个弹簧的长度， 大腿木板潜在能量是 板潜在能量是 一滑块潜在能量是 第二滑块潜在能量是 以推导出公式：根据（ 2）到（ 8），我们获得了总的潜在能量因此，腿会加入这三个所提到的潜在能量，并在重力平衡以上。 3。数值结果 建立了随着下肢外骨骼运动学模型下肢。在这本文，我们利用亚当斯 模拟 得髋关节力矩。 肌电图（ 被用来获得肌肉电活动的设备。下肢肌肉有四个部分，股直肌，股中间肌，股外侧肌和股内侧肌。然而，由于股中间肌深度，信号就被可靠地通过，使用表面肌电图记录。因此，对于其他三个肌肉的肌电图收集。在这个实验中，一个健康的年轻成年人参与评测，其测量参数在表 1 中列出该装置的数量，这种装置的功能相当于一个沙袋绑在大腿上，提出了用沙袋练习的方法。他的右下肢从初始状态下，大腿和小腿是在垂直位置。我们称这种运动为 “抬腿 ”运动。范围从 0 度扩展到 90 度。 表 1。对男 性下肢人体测量学参数 主观方面 人体测量学 参数 水分 70 厘米 大腿长度 48 厘米 髋关节膝关节长度 44 厘米 大腿电路 63 厘米 膝 3 厘米 大腿宽 22 厘米 膝宽 10 厘米 黑色的线显示在图 4 上，它 显示出髋关节的扭矩，从实验 “抬腿 ”运动与 B（ 斤）重沙袋，而当 B 权电阻连接到下肢外骨骼时，红色是关节力矩通过 真。图 4 显示时 大腿与地面平行，关节力矩达到峰值的 15000 验结果大约在 16000 超过模拟量。图 4 髋关节 屈曲 图 5 显示一个男性的肌肉的肌电图（ a）是股直肌；（ b）是股外侧肌；（ c）是股内侧肌。在 “抬腿 ”运动状态下，所有三个肌肉被训练时，股直肌是最活跃的。股外侧肌和股内侧肌相对温和，但表现出有两个明显的峰高度的一致性现象。 所有的肌肉没有活性，到达时间是 8 秒。图 5 是一个男性的肌肉的肌电图，（ a）是股直肌；（ b）是股外侧肌；（ c）是股内侧 4。结论 下肢矫形器的介绍，旨在帮助步行的人。当穿戴该装置，我们使用亚当斯仿真软件，人体下肢的肌肉和关节力矩实验限制方法来探讨影响。它表明， 股直肌，股外侧肌和股内侧肌下肢康复肌肉训练非常好，我们相信这种矫形器康复装置可能非常适用于一个潜在的肌肉无力或瘫痪患者，所有的研究工作是在浙江省新兴艺术家（新庙）基金会的拨款 20128405025号的资助下进行的，基础教育部：第 ；下批准号： 2012 工具书类 【 1】 N. 器人辅助神经康复， 康复工程， 1），（ 1998）第 75。 【 2】 邱毅瑞，陈达仁 ，可穿 戴式上肢矫形器训练设计康复致动器，力学和材料卷。 2012012）第 864。 【 3】 G. S. 力平衡平面设计制作辅助的平行四边形机构设计，123 卷（ 4）（ 2001），第 525。 【 4】 B. J. 间弹簧平衡理论，机械机器理论 26 (2)（ 1991），第 155。 【 5】 E. 衡机的平面连杆机构设 计卷 11（ 3）（ 1993），第 604 【 6】 A. 15（ 3）（ 2007），第 410。 实习论文 3 月 11 日，下午 2 点半，扬州大学广陵学院机械电子工程系组织一次参观实习活动，我们去的是扬州海昌粉末冶金有限公司。 扬州海昌成立于 2001 年 1 月，注册资本 500 万，厂房占地 37 亩 ,工厂建筑面积 12000平方米。 2013 年 6 月组建粉末注射 (齿轮箱事业部。拥有多条标准的粉末冶金生产线，目前贵公司有国内先进的高精度机械式成形机和精整机 60 余台，连续式的烧结炉，高温烧结炉，蒸汽处理炉，渗碳炉，深冷设备 10 余台，丰富精密的检测设备：三次元，投影仪，粗糙度仪，轮廓度仪，金像分析仪等 30 余台 。 “诚信经营，精良品质，卓越服务”是贵公司的的企业宗旨。积极、高效、专业的人才是他们的成长基石，而同事间则是相互信任、尊重和坦诚的。贵公司重视科技与人才， 通过斥巨资购买国内外粉末冶金专业设备，同时培养吸纳一批粉末冶金的专业团队。贵公司自成立以来，实行严密的检测手段和管理制度，于 2004 年 1 月通过 000 认证，并在 2011 年 10 月获得了 量体系管理证书。 目前贵公司可依照 淮为世界 500 强的电动工具，汽车，家电企业配套，主 要生产专业粉末冶金的各类铁基、铜基含油轴承、高强度齿轮件及各种结构等零件。 此次半天参观实习，和去年 4 月份去洛阳一拖实习性质差不多，我们坐校车去该贵公司，路途中，学校老师就跟我们介绍贵公司，我心中十分好奇，真想立马就到。不到一小时，我们终于到了，迎面扑来的是高端大气上档次的厂房，我们能闻到机械原料味道和熟悉的机械工作声音，相当于导游一样的贵公司介绍人，开始带我们去参观实习。 贵公司介绍人主要带我们去看了 产设备， 产设备， 产设备，检测设备， 测设备。 预防维护和生产维护的总称，（ 1） 清扫 ：不只是表面，要将犄角旮旯清扫干净，让设备、工装的磨损、噪音、松动、变形、渗漏等缺陷暴露出来，及时排除 。 2）润滑：少油、缺脂造成润滑不良，使设备运转不正常，部分零件过度磨损、温度过高造成硬度、耐磨性减低、甚至形成热疲劳和晶粒粗大的损坏。应定时、定量、定质、及时加油、加脂 。 3）紧固：紧固螺栓、螺母，避免部件松动、振动、滑动、脱落而造成的故障 。 4）堵漏：防止、堵塞润滑油脂、压缩空气、蒸汽、水、冷却介质、冷气、热量泄漏。 术作为一种制造高质量精密零件的近净成形技术，具有常规粉末冶金、机加工和精密铸造方法无法比拟的优势。 （ 1） 能象生产塑料制品一样生产形状复杂的小型金属零件（ 。 （ 2） 制件各部分组织均匀、尺寸精度高、相对密度高（ 95% ） 。 （ 3） 表面光洁度好 。 （ 4） 产品质量稳定，生产效率高，易于实现大批量、规模化生产。 术适合材料 ： 铁基合金钢、不锈钢、镍基合金、钨合金、硬质合金、钛合金、磁性材料、 金、精细陶瓷等。 变速箱的意思。我 觉得主要应用在汽车上，因为学车时，老记得教练说变速箱的东西， 变速箱主要指的是汽车的变速箱，它分为手动、自动两种 ，手动变速箱 主要由齿轮 和 轴 组成，通过不同的齿轮组合产生变速变矩；而 自动变速箱 由 液力变扭器 、 行星齿轮 和液压操纵系统组成，通过液力传递和齿轮组合的方式来达到变速变矩。功能为：一、改变传动比；二、在发动机旋转方向不变情况下，使汽车能倒退行驶；三、利用 空挡 ，中断动力传递，以发动机能够起动、怠速，并便于变速器换档或进行动力输出 。 看到上面的图片，不由得想起了机械设计的原理，齿轮 1 传 2,2 传 3， 一直往下去，最终推动设备的运动，感觉书上学的，今天能派上用场，感觉好窃喜啊 ! 检测设备有很多种类，工厂常用的检测设备有很多，包括测量设备 卡尺 、 天平 等，另外还有质量检测分析仪器，材质检测、包装检测设备等也是常见的检测设备。在包装环节中比较常见的有包装材料检测仪、金属检测设备、非金属检测设备以及无损检测设备等。 之后，贵厂介绍人带我们去他们产品分类处，有专门的老师傅给我们介绍，还给我们自己去感受，他们产品主要分类是电动工具类，家电类和汽车类三大类。 汽车类，主要是变速箱，我重点看了家电类， 因为这距离自己最短，最贴合实际，老师傅介绍最多的是螺纹，垫片和圆柱销。 螺纹： 在圆柱或圆锥母体表面上制出的螺旋线形的、具有特定截面的连续凸起部分。螺纹按其母体形状分为圆柱螺纹和圆锥螺纹；按其在母体所处位置分为外螺纹、内螺纹，按其截面形状（牙型）分为三角形螺纹、矩形螺纹、梯形螺纹、锯齿形螺纹及其他特殊形状螺纹。 考研那会，看了机械设计，什么外螺纹，内螺纹，对这个映像比较深刻，它的作用是 （ 1）联结机件。如：螺栓螺母。（ 2）传递动力，并改变运动形式。（将旋转变为直线）如：台虎钳，丝杠千斤顶，机床工作台的运动， 外径千分尺等。 垫片（ 两个物体之间的 机械密封 ，通常用以防止两个物体之间受到压力、腐蚀、和管路自然地热胀冷缩泄漏。由于机械加工表面不可能完美，使用垫片即可填补不规则性。垫片通常由片状材料制成，如垫纸， 橡胶 ，硅橡胶，金属，软木， 毛毯 ，氯丁橡胶，玻璃纤维或塑料聚合物（如聚四氟乙烯 ）。特定应用的垫片可能含有 石棉 。 垫圈（ 薄板（通常圆型）的一个漏洞（通常在中间）通常是用于分配的负荷线程 紧固件 。其他用途是作为间隔，弹簧（ 贝尔维尔 垫片，波垫片） ，耐磨垫，预显示装置，锁装置 。橡胶 垫圈 也用在水龙头（ 阀门 ）以切断流动的液体或气体。橡胶或硅垫片也可使用，以减少风扇的振动。通常垫片外径是内径的两倍左右 。 垫圈的作用主要有减压、增加摩擦、密封、减震、固定等五大作用。 圆柱销 主要用于定位，也可用于连接，他依靠过盈配合固定在销孔内。圆柱销用于定位是通常不受载荷或者受很小的载荷，数量不少于两个，分布在被连接件整体结构的对称方向上，相距越远越好，销在每一被连接件内的长度约为小直径的 12 倍。 圆柱销也有普通圆柱销、内螺纹圆柱销、螺纹圆柱销、带孔销、弹性圆柱销等几种。 圆柱销也可以做轴用，一个直轴也可以做圆柱销，甚至是定心销。那么轴和销的区别是什么呢？轴可以用来传递扭矩，承受弯矩和扭矩，圆柱销用来定位，承受挤压力和剪切力。某种意义上来说（如小型设备），圆柱销也可以做轴用。 虽然就短短的 2 小时，感受到机械发展真是快，那全自动的设备，真是高大上，还有许多专业术语不是太懂，不过，回来可以请教老师，编程，画图 ,操作，我要学精，我感觉这三方面最为重要。 蒋璞 穿戴式机械腿机构设计 1 扬州大学 广陵 学院 毕业设计（论文）前期工作材料 学 生 姓 名： 蒋璞 学号： 100007117 教 科 部： 机 械 电 子 系 专 业： 机械设计制造及 其 自动化 设计（论文）题目： 穿戴式机械腿机构设计 指 导 老 师： 周 建 华 材 料 目 录 序号 名 称 数量 备注 1 毕业设 计（论文）选题、审题表 1 2 毕业设计（论文）任务书 1 3 毕业设计（论文）实习调研报告 1 4 毕业设计（论文）开题报告（含文献综述） 1 5 毕业设计（论文）外文资料翻译（含原文） 1 6 毕业设计（论文）中期检查表 1 2014 年 4 月 9 日 蒋璞 穿戴式机械腿机构设计 2 扬州大学广陵学院本科生毕业设计（论文）题目申报表 设计（论文）题 目 穿戴式机械腿机构 设计 题目类型 1 题目来源 A 面向专业 机械设计制造 及其自动化 指导教师 周建华 职称 副教授 学 位 博士 从事专业 机械，计算机行业 题目简介： 现代机器人所具有的机械动力装置使得机器人可以轻易地完成很多艰苦的任务，比如举起、搬运沉重的负载等。虽然现代机器人控制技术有了长足的发展，还远达不到人的智力水平，包括决策能力和对环境的感知能力。与此同时，人类所具有的智能是任何生物和机械装置所无法比拟的，人所能完成的任务不受人的智能的约束，而仅受人的体能的限制。因此，将人的智能与机器人所具有的强大的 机械能量结合起来，综合为一个系统，将会带来前所未有的变化，这便是穿戴式机器人的设计思想。 审核意见： 审核人签名： 年 月 日 题目类型 1、为结合科研； 2、为结合生产实际； 3、为结合大学生科研训练计划； 4、为结合学科竞赛； 5、模拟仿真； 6、其它 题目来源 ； 拟 ； 蒋璞 穿戴式机械腿机构设计 3 扬州大学广陵学院 毕业设计（论文）任务书 教 科 部 ： 机 械 电 子 系 专 业： 机械设计制造 及其自动化 学生 姓名 : 蒋璞 学号 : 100007117 毕业（论文）题目： 穿戴式机械腿机构设计 起 迄 日 期： 设计（论文）地点： 扬州大学江阳路南校区 指 导 老 师： 周 建 华 专 业 负 责 人： 发任务书日期： 2014 年 4 月 9 日 蒋璞 穿戴式机械腿机构设计 4 扬州大学广陵学院本科生毕业论文任务书 论文题目 穿戴式机械腿机构设计 年级 大四 专业 机械设计制造 及其自动化 学生姓名 蒋璞 学号 100007117 主要内容： 1. 具有较好的机械设计理论基础，能熟练掌握二维和三维的制图软件，具有比较强的独立研究和探索能力，具有较强的主动沟通意识。 2. 穿戴式机械 腿机构 设计 ,完整的机械设计过程及其说明 ； 3. 完成二维或者三维的设计图纸绘制 ； 5篇以上，翻译不少于 5000 印刷符的英文资料； 括工作任务分析、调研报告或文献综述、方案拟定与分析以及实施计划等； 幅不少于 1万字。 主要任务及基本要求（包括指定的参考资料）： 主要任务及基本要求： 1、撰写开题报告：包括工作任务分析、调研报告或文献综述、方案拟定与分析 以及实施计划等； 2、查阅文献 14 篇以上，翻译不少于 5000 印刷符的英文资料； 3、熟练运 用二维 三维绘图 软件； 4、撰写毕业论文，篇幅不少于 1万字。 主要参考文献： 【 1】李研彪，刘毅，李景敏，计时鸣，赵章风，新型拟人机械腿的参数优化， 2013. 09. 【 2】计时鸣，刘毅，李研彪，李景敏，一种新型拟人机械腿的运动传递性能分析， 1001012)10【 3】伊蕾，助行康复机器人控制策略研究， 2012,04 【 4】邓楚慧，穿戴式下肢康复机器人机构分析及优化设计， 2012,璞 穿戴式机械腿机构设计 5 【 5】刘毅，一种新型拟人机械腿的性能研究， 2012,12 【 6】尹军茂，穿 戴式下肢外骨骼机构分析与设计， 2010， 05 【 7】赵豫玉，穿戴式下肢康复机器人的研究， 2009,03 【 8】王志鹏，郭险峰，穿戴式下肢外骨骼康复机器人机械设计， 1672 9】余联庆，吴昌林，马世平，基于仿生研究的步行机缓冲型腿机构设计，16712005) 06 10】金振林，曲梦可，六足步行机器人的并联机械腿设计， 10. 3788/20122007. 1532 【 11】金振林，曲梦可，三自由度并联机械腿静力学分析与优化， 1002 12】孙恒 陈作模 葛文杰 . 机械原理 西北工业大学机械原理及机械零件教研室编，第七版，高等教育出版社， 13】濮良贵 纪名刚 西北工业大学机械原理及机械零件教研 编，第八版，高等教育出版社， 【 14】周建方等 机械工业出版社，普通高等教育机电类规划教材， 15】机械制图 大连理工大学工程图学教研室编，第六版，高等教育出版社，出任务书日期： 2014年 2月 22日 完成期限： 2014年 4月 9日 指导教师签名： 专业主任签名： 年 月 日 蒋璞 穿戴式机械腿机构设计 6 扬州大学 广陵 学院 毕业设计（论文）实习调研报告 学 生 姓 名： 蒋璞 学号： 100007117 专 业： 机械设计制造及 其 自动化 指 导 老 师： 周 建 华 蒋璞 穿戴式机械腿机构设计 7 扬州大学广陵 学院 毕业设计 (论文 )开题报告 学 生 姓 名： 蒋璞 学 号： 100007117 专 业： 机械设计制造及其自动化 设计 (论文 )题目： 穿戴式机械腿机构设计 指 导 老 师： 周 建 华 2014 年 4 月 9 日 蒋璞 穿戴式机械腿机构设计 8 扬州大学广陵学院本科生毕业设计（论文）开题报告 设计（论文）题 目 穿戴式机械腿机构设计 题目来源 指导老师出题 题目类型 为结合科研 指导教师 周建华 学生姓名 蒋璞 学 号 100007117 专 业 机械设计制造及其自动化 开 题报告内容：（调研资料的准备与总结，研究目的、要求、思路与预期成果；任务完成的阶段 、 内容及时间安排；完成毕业设计（论文）所具备的条件因素等。） 本毕业设计（论文）课题应达到的目的： （ 1）培养学生的调查研究以及资料、信息的获取、分析等综合能力； （ 2）培养学生的工程设计能力，主要包括设计、计算及绘图能力； （ 3）培养学生的综合运用专业理论知识，分析解决实际问题的能力； （ 4）培养学生的在设计过程中使用计算机的能力； （ 5）培养学生的撰写设计说明书、论文的 能力； （ 6）培养学生创新能力和创新精神。 本毕业设计（论文）课题工作进度计划 ： 起止日期 工 作 内 容 201401401420140142014业设计开始，查阅中外文资料，完成外文翻译，完成实习调研和实习报告，完成开题报告； 进行毕业设计，接收毕业设计中期检查， 根据设计要求，进行机械结构 原理设计和结构设计， 撰写毕业设计论文 ； 修改完善毕业论文、准备毕业答辩、整理毕业设计期间的所有 资料、成果并归档。 蒋璞 穿戴式机械腿机构设计 9 文 献 综 述 一、课题研究的内容及意义 穿戴式智能设备 ” 是应用穿戴式技术对日常穿戴进行智能化设计、开发出可以穿戴的设备的总称，如 鞋等 。 机械腿的研究是步行机器人研究的核心内容。步行机器人是一个交叉学科的研究，它涉及仿生学、机械学、控制学及信息处理技术等。步行机器人在多个行业具有很多应用优势，逐渐成为国内外机器人研究领域的一个热点。步行机器人与其他履带式、轮式 机器人相比，具有以下的运动特性 。 (1)步行机器人具有良好的地面自适应性 步行机器人可以在复杂的地形上利用离散的点来选择最优的地面支撑点，并且可以跨越一定的障碍物。 (2） 步行机器人的腿部运动系统比较稳定 步行机器人的腿部运动系统可以保证身体相对地面的稳定，因其腿部具有多个自由度，灵活性大，同时可以通过调节腿的伸展度来调整重心，因此不易翻倒，稳定性高。 仿人机器人作为步行机器人的一种形式，是提高机器人机动性和节省能源的一条重要途径。仿人机器人是机器人研究领域最高研究成果的代表。相对于其他机器人，仿人机器人具有人的外形，并具备良好的人机交互能力，所以在娱乐服务等领 域，仿人机 器人具有更明显的优势。 仿人步行机器人具有诸多的优势，使其成为日前研究的热点。为使机器人腿部能协调而稳定的运动，机械结构设计和控制系统算法的研究都比较复杂，使其研究充满挑战。 二、课题国内外现状 2000年，德国自由大学 2001年，德国弗朗霍费尔研究所 (于吊线木偶原理，研制了一种绳驱动式下肢康复训练机器人 合踏步车使用。 蒋璞 穿戴式机械腿机构设计 10 一款可穿戴的、通过电池供电的仿生机械腿，将之穿在身上后，它可以提供必要的支撑力，让人重新站立。而且整套系统还采用了仿生设计，以内置电动马达为动力，当人们把它穿在身上，就能重新获得行走的能力！ 在下肢机器人方面，国内研究起步较晚，取得的成果也不多。目前的研究机构主要有上海大学、浙江大学、哈尔滨工业大学和哈尔滨工程大学等。具有代表性的是 :哈尔滨工程大学开发的辅助型下肢康复训练机器人和浙江大学开发的可穿戴式的下肢步行外骨骼。 从 2004年，中科院合肥智能机械研究所也开始从事相关的研究工作。 2002年，哈尔滨工程大学机电一体化研究所研制出了一种下肢康复训练机 器人样， 如图 1 该机器人由三自由度步态机构、姿态机构和重心平衡机构等组成。其优点是可实现脚的姿态调整，在机器人的远程控制技术、虚拟现实技术及减重控制策略方面进行了实验或仿真研究，后续研制并开发了可与该机器人配合使用的四自由度绳索牵引骨盆运动并联康复机器人。 2006 年，上海大学机电工程与自动化学院也研究了一套可穿戴式助力机械腿，如图 1侧下肢 有两个自由度，分别为骸关节屈 /伸和膝关节屈 /伸。 蒋璞 穿戴式机械腿机构设计 11 2007 年，哈尔滨工程大学机电一体化实验室的研究小组研制了被动式步态康复训练 器 。 2009 年，该研究小组又提出了步态训练机器 ，机器人可控制双足矢状面内六自由度的运动，具有承载能力强，步幅、步态、足底姿态可灵活调整等优点。通过不同的轨迹规划，机器人能够模拟上、下楼梯，平地行走等步态动作。利用柔顺控制等多种控制策略，可模拟沙地、草地等多种路况的行走。实验研究表明，该机器人可实现多种步态的控制，且具有较好的训练效果 。 三 2006 年中国人口老龄化发展趋势预测研究报告表明，到 2023 年，我国老年人口将达到 ，与 0少儿人口数量相等。而到 2051 年，中国老年人口规模将达到峰值 为少儿人口数量的 2倍。针对我国人口老龄化的口益严重、脑卒中患者数量多、治疗医师资源缺乏的情况，开发一种可以为偏瘫、截瘫等肢体残疾人员及体弱老年人提供康复训练和助行服务的机器人，对降低老年人跌倒的比例、帮助偏瘫患者树立重新行走的信心、提高老年人独立生活的质量减轻社会负担具有重要的研究意义。同时，机器人辅助设备可以极大的降低康复 师的工作量，促进患者的主动参与，可以客观的评价康复训练的强度、时间和效果，使康复治疗更加系统化和规范化。 穿戴式机械腿应用于医疗上 越来越多 ，帮助残疾人站起来。 尽管目前己经开发出了多种助行康复机器人，但机器人在机械结构精巧、人机协调、自动适应用户的行为、工作延续性、提高用户的舒适度等方面还远远达不到实际应用的要求。同时，由于目前的康复训练机器人运用于临床康复的蒋璞 穿戴式机械腿机构设计 12 训练方案、训练的评价方法等还处于摸索阶段，机器人技术完全应用于临床康复训练还需要深入、系统的研究和探索。因此，对机器人进行改良，开展与其它临 床康复方法的有机结合以提高其临床康复效果，扩展其治疗手段是非常有必要的 。 综上所述，研究助行康复机器人技术，使其满足康复训练、辅助行走、节省能耗、携带方便等需要，并且更加符合人体生理习惯，令使用者步态更自然，提高老年人的生活质量，减轻社会负担，使其真正服务于需要的人，有着重要的意义。 四 近年来，关于外骨骼机构的人一机运动相容性设计问题开始得到研究者的关注，一些研究者对上肢外骨骼机构的运动相容性进行了分析，并基于人机工程学原理对上肢外骨骼机构的运动学设计方法进行了研究。但是对下肢 康复机器人机构的人一机相容性问题以及影响人一机相容性的因素方面研究较少，主要问题如下。 (l)人一机联接模式对人一机相容性的影响现有下肢康复机器人中，人一机之 间采 直接绑缚或通过穿戴具以紧致穿戴的形式相联接，缺乏有关人一机联接模式和约束 性质的深入研究，更未分析联接模式对人一机运动相容性的影响。 (2)机构构型对人一机相容性的影响现有的下肢康复机器人机构的骸关节多采用单自由度回转副或由 2个回转副进行运动等效，膝关节为单自由度回转副，机构的尺度参数根据下肢骨胳的比例和长度确定。优点是机器人机构的构型相对简洁且机构的设计简便易行。但机器人机构的关节数目少于下肢骨骼的关节数目，而且对应关节的运动属性也有所不同，构型的选取会直接影响人一机之间的运动相 容性。 (3)机构参数优化对人一机相容性的影响由于下肢康复机器人机构与人体骨骼机构在关节数目、关节运动特性上的差异以及机器人机构的外挂属性，若机器人机构参数或联接参数设计不够合理，也会导致人一机运动不相容，在联接部位发生运动干涉与冲突。 此外，在机构设计中，材料选择、结构美观和机构可调性等也是研究的重要问题。 蒋璞 穿戴式机械腿机构设计 13 本课题要研究或解决的问题和拟 采用的研究手段（途径） 大问题 (1)可穿戴性 要好 :下肢外骨骼康复机器人要有良好的可穿戴性经过简单的训练即可非常容易顺利快速地穿脱。 (2)可调节性 要强 :下肢外骨骼康复机器人面向的患者群体年龄跨度大，外骨骼应能适应各种身高体重的患者，因此其在长度及宽度方向都应能调节以适应不同患者穿戴。 (3)结构 要 轻巧 :外骨骼机器人应尽量轻巧、简便方便穿戴和驱动，节省能源 。 (4)相互干扰性 要 小 :尽量减小人与外骨骼的直接接触面，减小人机相互干扰，从而减小对人体各方面的限制。 (5)柔顺、舒适性 要好 :下肢外骨骼机器人的运动与人体下肢的运动要具有很好的协调 性 。其结构、自由度的配置要与人体结构与自由度相匹配。使穿戴着感觉柔顺自然。 （ 1）弄清楚穿戴式机械腿机构特点 1 穿戴式机械腿的结构布局特点 机械腿通过三个电机驱动，实现膝关节和踝关节的运动，类似于人体膝关节和踝 关节的结构特点，其驱动装置安放在固定件的位置上。该机构的运动杆件不必承载驱动电机的重量，减少了电机数量，这种拟人机械腿具有结构简单、承载能力强、运动惯性小、运动灵活等优点，克服了传动系 统复杂、动态特性差等缺点。 这种穿戴式 机械腿的结构布局特点如下 :三 个直线移动副 三个直 线移动副 3均安装在基座上 ;当杆 行于杆 各移动副输入均为零时，这种膝关节和躁关节机构处于初 始位姿。移动副 3的初始长度分别为 i=1,2,3),Z 分别为各直线移动副的输入位移。建立两个坐标系 :静坐标系 R(动坐标系S(如图 1所示，点 蒋璞 穿戴式机械腿机构设计 14 图 1 （ 2）穿戴式机械腿设计方案 1. 基于 机械腿的参数优化结果，同时考虑加工与装配工艺性，给出一种拟人机械腿的设计方案，如图 2(a)所示，这种拟人机械腿与球而三自由度并联机构 (作为拟人骸关节机构原型 )串联在一起，构成拟人下肢的设计方案，如图2(b)所示。这种拟人机械腿机构的膝关节 和踝 关节采用 4- 过三个电机实现膝关节和 踝 关节的运动方式，电机等固定件靠近腰部附近，减小电机等固定件产生的力矩，增加腿部的承载能力，减小运动惯性，发挥并联机构的优点， 同时，这种新型拟人下肢可实现任何步态状况，具有主动控制步态的优点。因此，这种新型拟人下肢具有结构简单、承载能力强、运动惯性小、运动稳定等优点。 蒋璞 穿戴式机械腿机构设计 15 图 2（ a） 图 2（ b） （ 3）机械腿结构的优化 按照机构原理图的设计图想，其中较难设计的部分为膝关节 所 在支链的平面四杆机构而如果完全 按原 理图的设计 ，将转动 副 固 连，那么 机械腿显得不够紧凑和灵巧。在传动副 F,将传动副 F 直接表示图 3 蒋璞 穿戴式机械腿机构设计 16 图 4 图 5 为机架固连，图 3，那么再设计传动副 3为了使机械腿的结构史紧凑，将图 3中的 80度 上 的杆件固连到点 E 上 ，如图 4所示，这样 I 改动不改变原有的 工作 原理 。移动副 采用 滚珠 丝杆 实现，根据改进的机构简图，设计了如图 5所小的膝关口听在支链结构设计，扣将转动副 该基座与机械腿的静平台基座固连， 这样使 得拟人机械腿结构紧凑，同时减轻重量。 蒋璞 穿戴式机械腿机构设计 17 （ 4）加入胡克铰结构 胡克铰（图 6）在并联机构中使用倾率很高，而该结构的设计 直接彩响了整个并联机构的性能。因为在研究机构的 工 作空间时，在考虑约束的 影响 中， 胡克铰两个方向的转动范围是一个重要因 素。对 这个拟人机械腿机构，没有杆件之间的干 涉 ，胡克铰的性能对这个机 构性能 (工作空间 )起了决定性的作用。 图 6 （ 5） 装配体结构 对三条运动支链进行合理布局，避免杆件发生运动干涉，同时根据装配工艺要求设计运动支链与动、静平台的连接方一式。 拟人机械腿的装配体结构图如图 7所示。 三条运动支链通过上、下 平台连接在一 起，并通过板件对其加固。电机固定上平台上，上平台上与关节 相连。下 平台设计 为脚底板，直 接与地 面 接触。 蒋璞 穿戴式机械腿机构设计 18 图 7 （ 6）机械腿的方案最终实 现简图 图 8 蒋璞 穿戴式机械腿机构设计 19 扬州大学广陵学院 毕业设计（论文）外文资料翻译 教 科 部： 机 械 电 子 系 专 业： 机械设计 制造 及其自动化 姓 名： 蒋 璞 学 号： 100007117 外 文 出 处： （用外文写） 附 件： 指导老师评语 签名： 年 月 日 蒋璞 穿戴式机械腿机构设计 20 扬 州大学广陵学院本科生毕业设计（论文）中期自查表 （中期教学检查用） 学生姓名 蒋璞 学号 100007117 专业 机械设计制造及其自动化 班级 机械 81001 班 指导教师 周建华 职 称 副教授 设计（论文）题 目 穿戴式机械腿机构设计 个人精力 实际投入 每天平均工作时 间 6 小时 迄今缺席天数 无 出勤率 % 100% 指导教师每周指导次数 2 每周指导时间（小时） 2 未指导的周次及原因 无 毕 业 设 计（论文）工作进度（完成）内容及比重 已完成主要内容（ 30 %） 待完成主要内容（ 70 %） 进展正常 存在问题及解决方案 指导教师意见： 指导教师签名： 年 月 日 蒋璞 穿戴式机械腿机构设计 21 扬州大学广陵学院本科生毕业设计（论文）指导教师审阅意见表 设计（论文）题目 穿戴式机械腿机构设计 学生姓名 蒋璞 专业 机械设计制造及其自动化 班级 机械 81001 班 指导教师姓名 周建华 职称 副教授 得分 指导教师审阅意见： 指导教师签名： 年 月 日 蒋璞 穿戴式机械腿机构设计 22 扬 州大学广陵学院本科生毕业设计（论文）评阅人意见表 设计（论文）题目 穿戴式机械腿机构设计 学生姓名 蒋璞 专业 机械设计制造及其自动化 班级 机械 81001 班 评阅人姓名 职称 得分 评阅人意见： 评阅人签名： 年 月 日 蒋璞 穿戴式机械腿机构设计 23 扬州
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