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摘要
康复机器人技术则是近年来迅速发展的一门新兴机器人技术，是机器人技术在医学领域的新应用；目前康复机器人已成为国际社会研究的热点之一。本课题主要研究的基于姿态控制康复训练系统的设计。
本文介绍了康复机器人国内外发展现状和应用情况，进行了训练机器人的总体方案设计、结构设计，和总体控制方案设计等；对训练机器人进行三维建模，并对重要零件进行校核。本训练机器人共有7个自由度，其中每一条机械腿上有3个关节（3个自由度）模仿人体腿上的踝关节、膝关节、髋关节和一个用于减重的减重系统（包括1个自由度）。此系统能用于脑损伤、中风等病人的康复训练，帮助病人更好地进行康复训练，减轻他人的帮助，挺高效果。
关键词：康复训练；机器人；
Abstract
Externally pressurized gas bearing has been widely used in the field of aviation, semiconductor, weave, and measurement apparatus because of its advantage of high accuracy, little friction, low heat distortion, long life-span, and no pollution. In this thesis, based on the domestic and overseas researching.
Keywords：keyword 1; keyword 2; keyword 3;
目 录
摘要 I
Abstract II
第1章 绪论 1
1.1 研究背景及意义 1
1.3 国内外研究现状 1
1.3 本课题主要研究内容 2
第2章 总体方案设计与选择的论证 3
2.1 分析 3
2.2 方案的选择 4
2.2.1 自由度的设计 5
2.2.2 基本参数的选取 5
2.2.3 驱动器的选择 6
2.2.4 关节结构的选择 6
2.2.5 连杆结构的选择 6
2.2.6 腰部结构设计 7
2.2.7 减重机构 7
2.2.8 整体结构设计 7
2.3 本章总结 7
第3章 机械结构的设计与计算及驱动元件选型 8
3.1 人体参数 8
3.2 各关节运动学分析 8
3.2.1踝关节的运动学分析 8
3.2.2 膝关节的运动学分析 9
3.2.3 髋关节的运动学分析 9
3.3 关节力矩分析 10
3.4 具体结构设计 11
3.4.1 关节结构的选择 11
3.4.2 连杆结构的选择 12
3.4.3 腰部结构设计 12
3.4.4 减重机构 12
3.5 一些零件的设计和校核 12
3.5.1 轴承的选择及校核 12
3.5.2气缸的选择 12
3.5.3 连杆的计算与校核 14
3.5.4 腰部板件的校核 14
3.5.4 销轴的校核 15
3.5.5 双头螺柱的校核 16
3.5.6 传感器的选取 16
3.6 减重系统分析及相关计算 16
3.7 本章小结 17
第4章 供气与控制系统的设计 18
4.1 供气系统的设计 18
4.1.1 供气回路设计 18
4.1.2 气动元件的选择 19
4.2 气动自动控制方框图 23
4.4 本章小结 24
第5章 控制系统设计 25
5.1 控制系统概述 25
5.2 处理器选型及硬件总体设计 25
5.2.1 处理器选型 25
5.2.2 控制系统的硬件总体设计 27
5.3 电路设计 28
5.3.1 电源电路 29
5.3.2 时钟与复位电路 29
5.3.3 调试接口电路 30
5.3.4 启动模式选择电路 31
5.3.5 AD模块电路 31
5.3.6 人机界面电路 32
5.3.7 存储模块电路 34
5.4 控制系统的软件设计 35
5.4.1软件总体设计 35
5.4.2 系统初始化 37
5.4.3 运动控制软件设计 38
5.4.4 人机界面的软件设计 42
5.4.5 存储模块的软件设计 44
结 论 46
参考文献 47
致 谢 48
第1章 绪论
1.1 研究背景及意义
现代中枢神经康复机理研究和临床医学表明，脑卒中患者失去运动能力的肢体，在辅助训练运动中，能部分或者全部恢复运动能力。但这需要专业医师的指导与护理。由于目前我国的老龄化及心脑血管疾病患者的增多，肢体瘫痪患者相应增多，目前的专业医师人数远远不能满足病人需要。随着机器人技术、计算机技术、微电子技术、传感器技术等相关技术的发展，具有实用价值的机器人进入众多领域，甚至走进人们的生活，如清洁机器人，护理机器人等。把机器人引入康复医疗领域，发挥类似专业医师的作用，辅助患者实现康复医疗训练和评价，将极大地缓解当前专业医师人数严重不足的局面，具有重大社会意义。目前，康复机器人相关研究正成为众多学者的研究热点。
1.3 国内外研究现状
康复机器人是一种自动化医疗康复设备，它以医学理论为依据，帮助患者进行科学而有效的康复训练，使患者的运动机能得到更快更好的恢复。目前，康复机器人已经广泛地应用到康复护理、假肢和康复治疗等方面，这不仅促进了康复医学的发展，也带动了相关领域的新技术和新理论的发展。
德国柏林自由大学(Free University of Berlin)开展了腿部康复机器人的研究[5]，并研制了MGT型康复机器人样机。
瑞士苏黎士联邦工业大学(ETH)在腿部康复机构、走步状态分析方面也取得了一些成果，在汉诺威2001年世界工业展览会上展出了名为LOKOMAT的康复机器人模型。LOKOMAT机器人主要由矫正器、先进的体重支持系统和跑台组成。
德国柏林的IPK研究所研制的Robotic Gait Rehabilitation，通过一个可编程控制的脚踏板来带动患者实现的轨迹模拟，这个脚踏板由直线电机带动实现往复直线运动，脚踏板支撑部分类似于二自由度机械臂，由两个伺服电机驱动[7]。
美国加州大学伯克利分校的科学家研制出一种机器人称为“伯克利末端外骨骼”（BLEEX）[8]，BLEEX包括可以牢牢地固定在使用者脚上但又不会和使用者摩擦的金属支架，以及用来承载重物的背包式外架和动力设备等，这种机器人除了可以帮助正常人增加负载能力外还可以帮助残疾的病人行走，一定程度上恢复功能。
日本筑波大学Cybernics实验室的科学家和工程师们，研制出了世界上第一种商业外骨骼机器人(Hybrid Assistive Leg，HAL)[9]，准确地说，是自动化机器人腿：“混合辅助腿”。这种装置能帮助残疾人以每小时4公里的速度行走，毫不费力地爬楼梯。除HAL“混合辅助腿”外，日本还研制成功了一种全身性外骨骼机器人。
美国NPH研究中心开创了机器人系统量化步行能力和失调的研究领域，根据活动依赖神经系统的可塑性，量化和评估模式肌电图在等方面的作用，建立数学模型模拟的感觉运动障碍。
在我国，康复医疗工程已经得到了普遍重视，康复训练机器人广阔的应用前景将推动康复机器人技术的进一步发展。我国对康复机器人的研究起步比较晚，辅助型康复机器人的研究成果相对较多，康复训练机器人方面的研究成果则比较少。清华大学在国内率先研制了卧式康复训练机器人样机在这项成果中他们采用了虚拟现实技术[10]。哈尔滨工程大学研制的康复机器人可以模拟正常人行走的、踝关节的运动姿态以及重心的运动规律，带动做行走运动，实现对各个关节的运动训练、肌肉的锻炼以及神经功能的恢复训练。通过获取脚的受力状态、腿部肌肉状态和关节状态等人体的生物信息，协调重心控制系统和系统的运动关系，使之与人体运动状态相协调，获得最佳训练效果。
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