刚柔混联下肢康复机器人结构设计（全套设计含CAD及三维建模图纸）
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刚柔混联
下肢
康复
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结构设计
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三维
建模
图纸
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1 哈尔滨工程大学 2014 届学士学位论文立题论证书 院（系） 机电工程学院 题目对应专业 机械设计制造及其自动化 题目申报人 王克义 职 称 讲师 申报时间 目名称 刚柔混联下肢康复机器人结构设计 题目来源 （划号，不可多选） 在研 科研项目 生产实践 自拟题目 题目类型 理工类 理论研究类（ ） 工程设计类（ ） 软件开发类（ ） 科学实验类（ ） 综合类（ ） （划 号，不可多选） 文管类 理论型（） 应用型（） 文献综述型（） （ 划号，不可多选） 课 题 简 述 随着老龄化的到来以及自然灾害和交通事故等原因，接受康复训练的群体人数变得越来越大，研究康复训练机器人技术，研制康复训练机器人产品，对和谐社会建设具有重要意义。 刚柔混联下肢康复机器人主要是针对下肢内收外展 /内旋外旋运动而设计的，目的是同时实现下肢的上述运动模式。该机器人具有 3 个自由度，分别是平面 2 个移动和脚踏板面的 1 个转动。柔性机构用于直接对脚踏板的牵引，而刚性支链是 为了实现绳索驱动端位置的改变，实现不同的牵引形式。绳索和刚性支链构成一种刚柔混联机器人的传动构件。 本 课 题 预 期 目 标 须填写本课题应完成的工作，课题预期目标和成果形式 主要工作： 根据课题需要满足的要求，查阅国内外相关资料，包括绳索牵引机构和康复训练等方面，设计机构的总体方案，进行机构学分析，设计出该机器人各装置的零部件，并分析部分装置的运动性质；在 三维机构装配图 基础上进行部分运动仿真。 课题预期目标： 利用三维软件完成机器人的机构设计，出 程图，并根据驱动要求选择驱动元件；利用三维机构装 配图进行运动仿真，以此验证设计结果。 成果形式： 工程图 0#图纸 3 张， 其中 1 张装配图， 2 张零部件图 ； 毕业论文。 2 技术要求 上机 200 机时 图纸 3 张 电路板 0 块 阅读文献 25 篇 读书笔记 2 万字 主 要 参 考 资 料 e 基础设计，电子工业出版社， 机械设计手册，机械工业出版社， 马方超等 中国发明专利 . B, , et A of of C. of 1991: 67 70. 机 械原理，高等教育出版社， 机电一体化技术手册，机械工业出版社， 上方要加支撑装置，以分担人体重量。右侧添加导引装置防止绳对绞盘造成损害，正视图框架左右 侧 视 图 框 架 间 距 离 1m 。 3 右侧添加的导引装置简图 4 说明书摘要 本发明提供的是一种下肢内收外展训练机器人，该机器人由支撑框架 、 两套绳索牵引支链、一套刚柔混联支链和脚踏板 组成 。支撑框架由型材搭建而成。两套绳索牵引支链均由装有编码器的力矩电动机、绞盘、绳索组成，固定 在支撑框架上的力矩电动机驱动绞盘转动，从而带动柔性绳索运动，两套绳索牵引支链的绳索另一端共同连接到脚踏板上的一点处 。刚柔混联支链由 装有编码器的力矩电动机、绞盘、绳索、装有编码器的直流电动机、丝杠螺母、滑轨、过轮和力矩传感器 组成， 固定在支撑框架上的直流电动机驱动由滑轨机构约束的丝杠螺母机构，实现固定在螺母上的过轮平移运动；固定在支撑框架上的力矩电动机驱动绞盘转动，带动柔性绳索运动，绳索的另一端通过力矩传感器和过轮后连接到脚踏板上。本发明可用于下肢损伤患者进行内收外展康复训练，也可用于健康人的体育锻炼。 1 摘要 附图 权利要求书 1、一种下肢内收外展训练机器人，由支撑框架 、 两套绳索牵引支链、一套刚柔混联支链和脚踏板 组成 。其特征是：支撑框架由型材搭建而成；两套绳索牵引支链均由装有编码器的力矩电动机、绞盘、绳索组成； 刚柔混联支链由 装有编码器的力矩电动机、绞盘、绳索、装有编码器的直流电动机、丝杠螺母、滑轨、过轮和力矩传感器 组成 。 2 2、根据权利要求 1 所述的下肢内收外展训练机器人，其特征是：所述的两套绳索牵引支链均是固定在支撑框架上的力矩电动机驱动绞盘转动，从而带动柔性绳索运动。 3、根据权利要求 1 所述的下肢内 收外展训练机器人，其特征是：所述的刚柔混联支链是固定在支撑框架上的直流电动机驱动由滑轨机构约束的丝杠螺母机构，实现固定在螺母上的过轮平移运动；而固定在支撑框架上的力矩电动机驱动绞盘转动，带动柔性绳索运动，绳索的另一端通过力矩传感器和过轮后连接到脚踏板上。 4、根据权利要求 2 所述的下肢内收外展训练机器人，其特征是：所述的两套绳索牵引支链的牵引绳索的一端共同连接到脚踏板上的一点处。 5、根据权利要求 1 所述的下肢内收外展训练机器人，其特征是：所述的刚柔混联支链的牵引绳索平分两套绳索牵引支链的牵引绳索所夹角度。 6、根据权利要求 3 所述的 下肢内收外展训练机器人 ，其特征是：所述的 刚柔混联支链的过轮平移方向不在三根牵引 绳索所形成的平面上 。 说明书 下肢内收外展训练机器人 （一）技术领域 本发明涉及一种康复训练机器人，特别是涉及一种对下肢进行内收外展康复训练的机器人，属于康复训练器械。 3 （二）背景技术 医学理论和实践已经证明，脑瘫后遗症或意外事故造成的肢体损伤患者需要进行肢体训练，以便恢复肢体功能，防止肌肉“废用性”萎缩和关节僵硬。为克服专业医护人员的不足以及提高康复训练效果，出现了各种各样的康复训练器械 ，一般是主动康复训练器械附着受训练者肢体上，通过运动期望轨迹带动肢体运动，以达到康复训练作用。老人运动能力较弱，通过机器人辅助运动训练，能够提高运动机能。设计一种刚柔混联下肢训练机器人，用以对训练者进行下肢内收外展运动康复训练，同时绳索牵引不仅方便驱动单元的布置，而且增强了系统动态性能和系统柔顺性，能够更好地满足康复训练的需要。 目前，国内外相关 文献 主要有以下几种： 河北工业大学 硕士论文“仿生外骨骼式下肢康复机器人研究”中提到一种采用柔性连接解决下肢内收外展运动，该内收外展运动是被动形式的。专利号 专利 名称为 “ 绳索牵引下肢步态康复机器人 ”的发明专利阐述了 ， 通过绳索牵引实现下肢屈伸运动控制；专利号 为 专利名称为 “ 侧卧位下肢外展装置 ” 的 实用新型阐述了， 通过一套 支撑板 和 框架体实现固定下肢，防止侧卧时下肢的内收、内旋。专利号 为 0090803 的 专利名称为 “髋关节训练 装置 ” 的 实用新型阐述了，通过滑轮组和摆动杆装置实现下肢髋关节运动控制。 上述相关文献所介绍的下肢康复训练装置均未采用绳索牵引实现下肢内收外展训练。 （三）发明内容 本发明的目的 在于提供一种下肢内收外展训练机器人，用于对下肢损伤患者或老人的肌肉和关节功能进行康复训练。 本发明的目的是这样实现的：由框架构成支撑系统；两套绳索牵引支链的装有编码器的力矩电动机固定在框架上，其驱动绞盘转动，带动绳索运动，两套绳索牵引支链的两根绳索一端连接到脚踏板上的一点处；刚柔混联支链的装有编码器的直流电动机固定在框架上，其驱动受滑轨约束的丝杠螺母机构，控制固定在螺母上的过轮平移运动，而固定在支撑框架上的装有编码器的力矩电动机驱动绞 4 盘转动，带动绳索运动，该绳索的另一端通过力矩传感器和过轮后连接到脚踏板上。 该机器人属于并联机构。 本发明还有这样一些结构特征： 1、连接到脚踏板上的三根绳索处于同一平面上。 2、刚柔混联支链的牵引绳索平分两套绳索牵引支链的牵引绳索所夹角度。 3、刚柔混联支链的过轮平移方向不在三根牵引绳索所形成的平面上。 4、 三个驱动绳索的力矩电动机和一个驱动丝杠的直流电动机都安装有编码器。 5、刚柔混联支链的绳索在连接到脚踏板上之前经过固定在框架上的力传感器。 本发明下肢内收外展训练机器人由支撑系统框架 、 两套绳索牵引支链、一套刚柔混联支链和一个脚踏板 组成 。支撑系统框架由型材搭建而成，可根据需要任意移动；两套绳索牵引支链均由装有编码器的力矩电动机、绞盘、绳索组成，两个力矩电动机分别固定在框架前后位置上的同一高度处，其驱动绞盘转动，实现绳索牵引，两根牵引绳索均连接到脚踏板侧面中点处；一套刚柔混联支链由装有编码器的力矩电动机、绞盘、绳索、装有编码器的直流电动机、丝杠螺母、滑轨、过轮和力矩传感器组成，固定在框架中间位置的直流电动机驱动受滑轨约束的丝杠螺母机构，固定在支撑框架上的力矩电动机驱动绞盘转动，带动绳索运动，该绳索的另一端通过力矩传感器和固定在螺母上的过轮后连接到脚踏板另一侧中点处。结构布置保证了连 接到脚踏板上的三根绳索是处于同一平面的，且刚柔混联支链的牵引绳索平分两套绳索牵引支链的牵引绳索所夹角度，刚柔混联支链的过轮平移方向不在三根牵引绳索所形成的平面上。这种机器人结构布置形式能够实现下肢内收外展运动训练。 工作初，训练者一只脚站立在平台上，另一只脚放置在脚踏板里并扣紧，根据需要可以配备减重装置。工作时，由绳索牵引支链和刚柔混联支链共同控制脚踏板做规划运动，实现下肢内收外展康复训练。 （四）附图说明 图 1 是 本发明进行训练时的主视图 ； 图 2 是 本发明的主视图 ； 5 图 3 是 本发明 的俯视图 ； 图 4 是 本发明的左 视 图 。 （五）具体实施方式 下面结合附图举例对本发明做更详细地描述说明： 结合图 1本发明下肢内收外展训练机器人由支撑系统框架 1、 两套绳索牵引支链、一套刚柔混联支链和一个脚踏板 13 组成 。支撑系统框架 1 由型材搭建而成，可根据需要任 意移动；两套绳索牵引支链均由装有编码器的力矩电动机（ 12、 14）、绞盘（ 11、 15）、绳索（ 10、 16）组成，两个力矩电动机（ 12、 14）分别固定在框架 1 前后位置上的同一高度处，其驱动绞盘转动（ 11、 15），实现绳索（ 10、 16）牵引，两根牵引绳索（ 10、 16）均连接到脚踏 板 13 侧面中点处；一套刚柔混联支链由装有编码器的力矩电动机 2、绞盘 3、绳索 5、装有编码器的直流电动机 9、丝杠螺母 7、滑轨 8、过轮 6 和力矩传感器 4 组成，固定在框架 1 中间位置的直流电动机 9 驱动受滑轨 8 约束的丝杠螺母 7 机构，固定在支撑框架 1 上的力矩电动机 2 驱动绞盘 3 转动，带动绳索 5 运动，该绳索 5 的另一端通过力矩传感器 4 和固定在螺母上的过轮 6 后连接到脚踏板 13 另一侧中点处。结构布置保证了连接到脚踏板 13 上的三根绳索（ 5、 10、 16）是处于
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