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康复机器人的系统设计【27张CAD图纸和说明书】

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资源描述：

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步态康复训练系统的设计。

本文介绍了下肢康复机器人国内外发展现状和应用情况，进行了步态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；对步态训练机器人进行三维建模，并对重要零件进行校核。本步态训练机器人共有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、中风等病人的步态康复训练，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；步态

ABSTRACT

The rehabilitation robot technology is a new robot technology developed rapidly recently, which is a new application in medical fields of robot technology. Currently the research on rehabilitation robot has been one of the focuses in the International Society. The rehabilitation robot technology is a synthesis of many subjects, which covers mechanics, electronics, control and rehabilitative medicine and so on; it has been a typical representation of the mechatronics research. The main research of this paper is based on the attitude control gait rehabilitation training system design.

In this paper, lower extremity rehabilitation and development of robot applications at home and abroad, a gait training robot's overall programme design, structural design, design and overall control; gait training on the robot for three-dimensional modeling, and important parts to check. The robot gait training has a total of seven degrees of freedom, each of which a mechanical leg joints have three (3 DOF) to imitate human leg ankle, knee, hip and a weight relief for weight relief system (including a degree of freedom). The system can be used for brain injury, stroke, and to help patients better rehabilitation training, and meets.the needs of different groups of people.

Key words：rehabilitation training; robot; gait

目　　录

第1章　绪论 1

1.1　概述 1

1.2　康复机器人的国内外研究现状 2

1.3　本课题主要研究内容 7

第2章　总体方案设计与选择的论证 8

2.1　步态分析 8

2.2　方案的选择 11

2.2.1　自由度的设计 13

2.2.2　基本参数的选取 13

2.2.3　驱动器的选择 14

2.2.4　关节结构的选择 14

2.2.5　连杆结构的选择 14

2.2.6　腰部结构设计 15

2.2.7　减重机构 15

2.2.8　整体结构设计 16

2.3　本章总结 16

第3章　机械结构的设计与计算及驱动元件选型 17

3.1　人体参数 17

3.2　各关节运动学分析 17

3.2.1踝关节的运动学分析 18

3.2.2 膝关节的运动学分析 18

3.2.3 髋关节的运动学分析 19

3.3　关节力矩分析 20

3.4　具体结构设计 21

3.4.1　关节结构的选择 21

3.4.2　连杆结构的选择 22

3.4.3　腰部结构设计 23

3.4.4　减重机构 23

3.4.5　整体结构设计 24

3.5　一些零件的设计和校核 25

3.5.1 轴承的选择及校核 25

3.5.2 气缸的选择 25

3.5.3 连杆的计算与校核 27

3.5.4 销轴的校核 29

3.5.5 双头螺柱的校核 30

3.5.6 传感器的选取 30

3.6　减重系统分析及相关计算 31

3.7　本章小结 32

第4章　供气与控制系统的设计 33

4.1　供气系统的设计 33

4.1.1　供气回路设计 33

4.1.2　气动元件的选择 34

4.2　康复机器人的训练方式 39

4.3　气动自动控制方框图 39

4.4　本章小结 40

结　　论 41

参考文献 42

致　　谢 45

第1章　绪论

1.1　概述

据报道，我国60岁以上的老年人已有1.43亿，占全国人口的11％，到2050年将达到4.37亿。在老龄人群众中有大量的脑血管疾病或神经系统疾病患者，这类患者多数伴有偏瘫症状[1]。近年由于患心脑血管疾病使中老年患者出现偏瘫的人数不断增多，而且在年龄上呈现年轻化趋势。同时，由于交通运输工具的迅速增长，因交通事故而造成神经心痛损伤或者肢体损伤的人数也越来越多。在美国数以百万计的有神经科疾病病史和受到过意外伤害的患者需要进行康复治疗，仅以中风为例，每年大约有600，000中风幸存者，其中的二百万病人在中风后存在长期的运动障碍。随着国民经济的发展，这个特殊群体已得到了更多人的关注，为了提高他们的生活质量，治疗、康复和服务于他们的产品的技术和质量也在相应地提高。随着机器人技术和康复医学的发展，在欧洲、美国和日本等国家，医疗康复机器人的市场占有率呈逐年上升的趋势，仅预测日本未来机器人市场，2005年医疗、护理、康复机器人的市场份额约为250，000美元，而到2010年将上升到1，050，000美元，其增长率在机器人的所有应用领域中占据首位。因此，服务于四肢的康复设备的研究和应用有着广阔的发展前景[2]。

康复机器人是康复设备的一种类型。康复机器人技术早已广受世界各国科研工作者和医疗机构的普遍重视，其中以欧美和日本的成果最为显著。在我国康复医学工程虽然得到了普遍的重视，而康复机器人研究仍处于起步阶段，一些简单康复器械远远不能满足市场对智能化、人机工程化的康复机器人的需求，有待进一步的研究和发展。

由于康复训练机器人要与人体直接相连，来带动肢体进行康复训练，所以对驱动器的安全性、柔性的要求较高。近年来，以气动元件柔性驱动器逐渐引起人们的重视，在医疗康复器械领域中得到越来越多的应用。

本课题的研究目的是设计一种用于脑损伤、中风等病人的步态康复训练系统，帮助病人更好地进行康复训练，减轻他人的帮助，挺高效果。

1.2　康复机器人的国内外研究现状

在对有运动障碍的老人或残疾人进行治疗和康复的过程中，使用康复机器人可以解决好多问题：机器人的使用可以解决专业护理人员缺乏和医疗费用昂贵的问题，可以避免由于训练方法不科学和专业护理人员个人疏忽等主观原因引起的对病人的伤害，可供病人在家或工作场所使用，使病人获得更多的独立生活能力，提高了病人的生活质量等。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。

康复机器人有两种：辅助型康复机器人和康复训练机器人。辅助型康复机器人主要是帮助肢体运动有困难的患者完成各种动作，该类产品有机器人轮椅、机器人护士、机器人假肢、机械外骨骼等。康复训练机器人的主要功能是帮助患者完成各种运动功能的恢复训练，该类产品有行走训练、手臂运动训练、脊椎运动训练等。

康复机器人是康复医学和机器人技术的完美结合，康复机器人技术在欧美等国家得到了科研工作者和医疗机构的普遍重视，许多研究机构都开展了有关的研究工作，近年来取得了一些有价值的成果。对于中风、偏瘫、下肢运动机能损伤等患者来说，下肢康复训练机器人有着很好的治疗效果。国内外许多研究机构都在这方面取得了不错的研究结果。下肢康复训练机器人发展主要经历了几个阶段。由早期的简单步行训练机发展到现在功能丰富、符合人体运动机理的下肢康复训练机器人。早期发展的下肢康复训练系统是借助于跑步机、悬吊系统等帮助患者进行运动训练，此种产品结构简单、价格便宜，但训练过程中必须有专业人员的帮助，而且并不符合人体运动机理，还不能称为康复训练机器人，只能是一种半自动的康复训练机械，如图1.1、图1.2所示。图1.1、图1.2中的步行训练机，它的功能单一、价格便宜，而且需要在专业护理人员的帮助下进行康复训练，这种机械对下肢病情比较轻的病人较合适。

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内容简介：: 1 第 1 章绪论 1.1 概述据报道，我国 60 岁以上的老年人已有 1.43 亿，占全国人口的 11，到 2050 年将达到 4.37 亿。在老龄人群众中有大量的脑血管疾病或神经系统疾病患者，这类患者多数伴有偏瘫症状1。近年由于患心脑血管疾病使中老年患者出现偏瘫的人数不断增多，而且在年龄上呈现年轻化趋势。同时，由于交通运输工具的迅速增长，因交通事故而造成神经心痛损伤或者肢体损伤的人数也越来越多。在美国数以百万计的有神经科疾病病史和受到过意外伤害的患者需要进行康复治疗，仅以中风为例，每年大约有 600，000 中风幸存者，其中的二百万病人在中风后存在长期的运动障碍。随着国民经济的发展，这个特殊群体已得到了更多人的关注，为了提高他们的生活质量，治疗、康复和服务于他们的产品的技术和质量也在相应地提高。随着机器人技术和康复医学的发展，在欧洲、美国和日本等国家，医疗康复机器人的市场占有率呈逐年上升的趋势，仅预测日本未来机器人市场，2005 年医疗、护理、康复机器人的市场份额约为 250，000 美元，而到 2010 年将上升到 1，050，000 美元，其增长率在机器人的所有应用领域中占据首位。因此，服务于四肢的康复设备的研究和应用有着广阔的发展前景2。康复机器人是康复设备的一种类型。康复机器人技术早已广受世界各国科研工作者和医疗机构的普遍重视，其中以欧美和日本的成果最为显著。在我国康复医学工程虽然得到了普遍的重视，而康复机器人研究仍处于起步阶段，一些简单康复器械远远不能满足市场对智能化、人机工程化的康复机器人的需求，有待进一步的研究和发展。由于康复训练机器人要与人体直接相连，来带动肢体进行康复训练，所以对驱动器的安全性、柔性的要求较高。近年来，以气动元件柔性驱动器逐渐引起人们的重视，在医疗康复器械领域中得到越来越多的应用。本课题的研究目的是设计一种用于脑损伤、中风等病人的步态康复训练 2 系统，帮助病人更好地进行康复训练，减轻他人的帮助，挺高效果。 1.2 康复机器人的国内外研究现状在对有运动障碍的老人或残疾人进行治疗和康复的过程中，使用康复机器人可以解决好多问题：机器人的使用可以解决专业护理人员缺乏和医疗费用昂贵的问题，可以避免由于训练方法不科学和专业护理人员个人疏忽等主观原因引起的对病人的伤害，可供病人在家或工作场所使用，使病人获得更多的独立生活能力，提高了病人的生活质量等。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。康复机器人有两种：辅助型康复机器人和康复训练机器人。辅助型康复机器人主要是帮助肢体运动有困难的患者完成各种动作，该类产品有机器人轮椅、机器人护士、机器人假肢、机械外骨骼等。康复训练机器人的主要功能是帮助患者完成各种运动功能的恢复训练，该类产品有行走训练、手臂运动训练、脊椎运动训练等。康复机器人是康复医学和机器人技术的完美结合，康复机器人技术在欧美等国家得到了科研工作者和医疗机构的普遍重视，许多研究机构都开展了有关的研究工作，近年来取得了一些有价值的成果。对于中风、偏瘫、下肢运动机能损伤等患者来说，下肢康复训练机器人有着很好的治疗效果。国内外许多研究机构都在这方面取得了不错的研究结果。下肢康复训练机器人发展主要经历了几个阶段。由早期的简单步行训练机发展到现在功能丰富、符合人体运动机理的下肢康复训练机器人。早期发展的下肢康复训练系统是借助于跑步机、悬吊系统等帮助患者进行运动训练，此种产品结构简单、价格便宜，但训练过程中必须有专业人员的帮助，而且并不符合人体运动机理，还不能称为康复训练机器人，只能是一种半自动的康复训练机械，如图 3 1.1、图 1.2 所示。图 1.1、图 1.2 中的步行训练机，它的功能单一、价格便宜，而且需要在专业护理人员的帮助下进行康复训练，这种机械对下肢病情比较轻的病人较合适。图 1.1 步行训练机3 图 1.2 悬挂式步行训练机4 随着机器人技术和康复医学的发展，人们对人的行走步态有了比较清楚的认识，开发出了一些符合人体康复需要的产品。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(图 1.3)。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(图 1.4)的康复机器人模型。LOKOMAT 机器人主要由步态矫正器、先进的体重支持系统和跑台组成。LOKOMAT 机器人以使用者为根本，通过对机器人的行为、耐心、合作及运动功能进行评估,建立了一种更为有效的治疗方式，即：机器人先侦测使用者的运动，并且跟随使用者的运行轨迹而不是强制使用者按照预定的轨迹运动，通过机器人的自适应功能，来满足使用者的不同需求，它可以调整训练参数以适合不同患者的需要6。 4 图 1.3 MGT 型康复机器人图 1.4 LOKOMAT 机器人德国柏林的 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步态的轨迹模拟，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(图 1.5）。图 1.5 robotic gait rehabilitation 系统在试验中 5 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下肢残疾的病人行走，一定程度上恢复下肢功能(图 1.6）。图1.6 BLEEX 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(图1.7)，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。神奈川理工学院研制的“动力辅助服”9(Power Assist Suit)(图1.8）可使人的力量增加0.5-1倍，使用肌肉压力传感器分析佩戴者的运动状况，通过复杂的气压传动装置增加人的力量。这种装置最初是为护士研制的，用来帮助她们照料体重较大或根本无法行走的病人。现在已经有残疾人在这种机器人的帮助下实现了登山运动。 6 图1.7 HAL机器人图1.8 Power Assist Suit 美国NPH研究中心开创了机器人系统量化步行能力和步态失调的研究领域，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步态等方面的作用，建立数学模型模拟的感觉运动障碍。图1.9为NPH的机器人在实验中。 7 图1.9 NPH的机器人在进行试验在我国，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下肢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。哈尔滨工程大学在康复机器人方面也取得了不错的成果。哈尔滨工程大学研制的下肢康复机器人可以模拟正常人行走的步态、踝关节的运动姿态以及重心的运动规律，带动下肢做行走运动，实现对下肢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、腿部肌肉状态和下肢关节状态等人体的生物信息，协调重心控制系统和步态系统的运动关系，使之与人体运动状态相协调，获得最佳训练效果。图1.10 、图1.11 所示分别为哈尔滨工程大学研制的卧式下肢康复机器人和基于步态姿态控制的下肢康复机器人系统11。 8 图1.9 卧式下肢康复机器人图1.10 下肢康复训练机器人 1.3 本课题主要研究内容本文“基于姿态控制步态康复训练系统的设计”的研究目的是设计出一种可以辅助下肢有运动功能障碍的老人或残疾人进行功能恢复训练的康复机器人，工作重点是机器人机械本体的结构设计，要考虑安全性、可靠性、柔顺性，同时进行了气动控制系统的设计。课题内容主要包括： 1.步态康复训练系统的结构方案设计及运动学分析，包括人体行走的步态、自由度的设计、基本参数的选取、整体结构设计等。 2.机器人机械本体结构的设计与计算，包括姿态控制结构设计和减重结构设计。 3.机器人驱动器的供气控制系统的设计。 9 第 2 章总体方案设计与选择的论证 2.1 步态分析下肢康复机器人是对有脑损伤、中风等病人进行主动康复训练的自动化机械装置。它可以帮助患者进行运动机能恢复性训练，进行主动式步态训练。正常人在行走时脚在一个步态周期内的运动情况如图 2.1 所示12。图 2.1 步态周期 1个步行周期分为两个时期，支撑期和摆动期。支撑期是当脚和地面接触的时间，它占了一个步行周期的62%。摆动期是脚在空中的时间，它占了一个步行周期的38%。足跟接地即进入支撑期，足趾离地进入摆动期。支撑 10 期占步行周期62%(其中单侧肢体支撑期占37%，双侧肢体支撑期占25%)，摆动期占步行周期的38%。双侧肢体支撑期中包括预承重期和摆动前期，各占步行周期12%。各时期划分及有关具体内容如下:(l)双侧肢体支撑期。为双足着地、由双侧肢体支撑体重的时期，又分为被测下肢在前的“前足着地双足支撑期”(预承重期)和被测下肢在后的“后足蹬地双足支撑期”(摆动前期)2 个时期。预承重期是从被侧足足跟着地至对侧足趾离地的时期;摆动前期是从对侧足足跟着地至被侧足足趾离地的时期。一侧足的预承重期即为对侧足的摆动前期。 (2)单侧肢体支撑期。仅由被测足承担体重的时期，即从对侧足足趾离地至对侧足足跟着地的时期，也是对侧肢体摆动期。(3)摆动期。被测足不接触地面的时期，即从被测足足趾离地至同侧足跟着地的时期，也是对单侧肢体支撑期。步态各重要阶段动作: (1)脚后跟受:一般的步态历程，最开始的动作为右脚接触到地面的瞬间，也就是后脚跟刚与地面接触的动作； (2)前脚完全承载:在脚后跟受力后，脚掌渐渐贴附地面，直到脚掌完全贴合地面，此刻即为前脚完全承载； (3)支撑段中期:当右脚完全程载后，左脚开始摆动，摆动后右脚瞬间的动作即为支撑段中期； (4)脚后跟离地:左脚摆动过右脚后，右脚后跟离开地面的动作成为脚后跟离地； (5)脚指离地:右脚后跟离地后，紧接着脚尖离地，此时即为右脚离开地面的瞬简，我们称之为脚指离地，由于它是右脚摆动前的动作，所以也称为预先摆动； (6)摆动中期:右腿摆动过左腿的瞬间动作，此时的动作为支撑段中期。 11 在一个步态周期的各个时间点，各个关节的角度和所受到的力矩不同。下面从图 2.2图 2.7 显示了一个 75kg 的人以 1.3m/s 的步行速度在平地上走时，髋关节、膝关节、踝关节三处关节在一个步行周期内不同阶段的转角和力矩变化131415。图2.2 步行周期内踝关节的角度变化图2.3 踝关节力矩变化由图2.2、2.3可知步行时踝关节处力矩的最大值为-120N，角度范围为- 20 15 。由图2.4、2.5可知步行时踝关节处力矩的最大值为60N，角度范围为-70 0 。由图2.6、2.7可知步行时踝关节处力矩的最大值为-80N，角度范围为-20 30 。为了模拟人体行走的正常步态，更科学合理有效的进行下肢康复训练，所设计的康复机器人下肢各关节的运动（角度、力矩）和人体行走时关节的运动（角度、力矩）应该近似。为本设计就是根据这个原则进行设计的。 12 图2.4 膝关节的角度变化图2.5 膝关节的力矩变化图2.6 髋关节角度变化图2.7 髋关节力矩变化 2.2 方案的选择本设计的主要工作是设计出一个下肢有六个自由度（下肢每一条腿有3 个自由度）的康复机器人及其相应的框架和减重机构（一个自由度），然后绑在人腰部和下肢上，分别带动髋关节、膝关节和踝关节的运动，从而训练相应部位的肌肉，帮助使用者恢复下肢的运动功能，机构模型如图2.8。它由减重机构、姿态控制机构、运动平板等组成。 13 图 2.8 机器人的功能模型减重机构可以承担患者的一部分体重，减轻病腿的负荷，还可以调节人体的重心上下浮动。减重机构在人体行走时提供的是一个恒力，它由一个气缸通过滑轮驱动。运动平板通过电机驱动，能调节速度，使适应人体行走的不同速度需要。姿态控制机构主要模仿人体下肢关节的功能结构。由气缸驱动的仿人体下肢带动人体下肢运动。关节是人体运动的枢纽，是传递载荷、保持能量、协助运动的重要器官。关节长期制动，会使肌肉的破坏负最大载下降，能量储存也会明显减少，最终会导致肢体的完全瘫痪。用关节运动来带动肌肉进 14 行收缩运动，可以恢复和保持肌肉的收缩功能。髋肩关节、膝关节、踝关节是人体下肢关节中的三个主要关节。关节的运动学特征主要包括两部分：一是关节的活动幅度，二是如何达到这个活动范围。本设计就是根据这个原则进行的。 2.2.1 自由度的设计人体下肢的灵活度很高，关节比较复杂。下肢运动关节主要包括髋关节、膝关节、踝关节 3 个部分。髋关节是球窝关节，它的活动形式有 3 种，分别是向前伸展/向后伸展（hip flexion/extension）、侧向内转/外展（hip duction/adduction）、和向内外扭转（hip rotation）。膝关节有向前伸展/向后伸展（knee flexion/extension）和侧向内转/外展（hip abduction/adduction）两种活动形式。踝关节有背/跖屈（ankle plantarflexion/dorsiflexion）、侧向内转 /外展（ankle abduction/adduction）、向内外扭转（ankle rotation）3 种形式的运动。每一条腿有 7 个自由度，想要设计出一个能够完成下肢各个关节的康复运动的机器人非常难。考虑到有些关节运动消耗的能量小和结合康复医学的相关知识，确定 3 个自由度：髋关节的向前伸展、向后伸展，膝关节的向前伸展、向后伸展，踝关节的背曲和跖曲。总体结构有两条腿和一个减重机构共 7 个自由度。 2.2.2 基本参数的选取下肢康复机器人的运动学和人体的运动学相近，因此人体下肢关节的运动范围决定了下至康复机器人的关节运动范围。下肢康复机器人的关节运动范围至少要和人体行走时关节范围一致。为了安全，机器人的关节运动范围一般要小于人体关节运动范围的最大值。参考人体下肢各关节的运动角度，结合本设计的使用者是下肢需要康复的患者和各关节在行走状态的最大值，具体数值见表2.1。 15 表表 2.1 各关节的运动范围（各关节的运动范围（）关节活动形式人体行走最大值机器人关节取值人体关节活动最大值髋关节向前伸展32.245119 髋关节向后伸展-22.5-30-70 膝关节向前伸展000 膝关节向后伸展-73.5-80-136 踝关节背曲14.13046 踝关节跖曲-20.6-30-43 注：各关节的零度位置是：人体双脚并立，垂直站立。 2.2.3 驱动器的选择康复机器人不同于工业机器人，因为它特殊的使用场合和使用对象，要求在能够完成功能的前提下，整个康复要要安全、柔顺。本设计中的驱动器选择直线气缸。因为由传统的电、液驱动的马达或液压缸驱动结构复杂，所需能源的消耗较大。考虑到安装和运动的方便，采用圆形气缸。 2.2.4 关节结构的选择各个关节均为旋转关节。滚动轴承传动有摩擦阻力小，功率消耗少，启动容易等优点，可以充分利用气缸所作的功，减小机构体积。 2.2.5 连杆结构的选择作为下肢大小腿的连杆机构既是传动装置又是执行装置。连杆的长度精度要求较高，若大腿连杆或小腿连杆长度与使用者大腿或小腿长度不同，将会导致两者髋关节轴线、膝关节轴线和踝关节轴线不同轴，这会直接导致两 16 者在运动状态中出现运动干涉现象，两者偏差较大时，整个人一机混合系统将无法正常工作。因此，在进行大、小腿机械连杆设计时，把连杆设计成长度可调节的结构体尤为重要。其优点:可避免出现实验对象单一化，扩大使用对象;有利于关节同轴度的调整，避免运动干涉现象。连杆设计时，要注意以下问题: 1)承载能力。连杆不仅是传动装置，而且也是执行装置，要考虑连杆自身重量、气缸的重量和实验对象(人体下肢各段)的重量。 2)刚度。为防止连杆在运动过程中产生过大的变形，从而影响到机器人的定位精度，因此，刚度必须满足要求。 3)重量轻、转动惯量小。为提高机器人的反应速度、降低能耗和节省材料，要尽量减少其自身特别是运动部分重量。本设计中连杆结构采用内外杆结构通过调节内外杆之间的固定位置调整连杆的长度（即大小腿的长度）。 2.2.6 腰部结构设计腰部结构主要为患者腰部提供支持和下肢与框架的链接。腰带一方面可以对机械骸关节进行固定作用，另一方面在人行走过程中，当一支人机混合腿抬起时，即其处于摆动期时，其机械腿的部分重量可通过钢制腰带转移到另一支处于支撑状态的机械腿上，这样可以部分分担因一支腿抬起时，机械腿自重对使用者产生的负重效应。另外，由于腰带是钢质结构，其直接作用于人体的腰部会给人带人不舒服感。因此，我们要在钢质腰带与人体腰部之间加填了一软制护腰带，金属带与护腰带之间通过自粘带连接在一起要考虑到不同患者腰围的不同，所以要有调整结构，可以考虑用铰链结构。 2.2.7 减重机构下肢残疾病人的下肢力量往往不能给正常步行提供足够的力，所以在设计康复系统时要考虑到减重机构，在康复训练时减轻身体重力作用在腿上的力，使作用在腿上的力为身体重力大小的一部分。考虑到各个病人腿部力量 17 的不同，减重比例要可以调节，要从 0100%。 2.2.8 整体结构设计设计总体结构时，要考虑到装配工艺过程和整体效果，如：杆件各零件的装配顺序，气缸和杆件之间的干涉，轴承与轴承座装配，关节间的连接方式，外部框架之间的安装，减重结构与外部框架的链接，下肢与外部框架的连接。具体装配方式见总体装配图。 2.3 本章总结本章在对康复机器人步态分析了解的基础上，构建用气缸作驱动器的下肢康复机器人的结构方案。包括自由度的选择，基本参数的选取，驱动器的选择，关节结构的选择，连杆结构的选择，腰部结构的选择，减重结构的选择，整个机构的装配特性、工艺特性的考虑。在后面的章节中将具体进行具体结构的设计、标准件的选型、非标准件的设计、气缸的选型计算等。 18 第 3 章机械结构的设计与计算及驱动元件选型本章设计了康复机器人机械部分的结构和驱动元件的选型，对机械下肢的运动学部分进行分析。 3.1 人体参数本设计的机械部分是要与人体下肢接触的，它的关节、腿长等的设计要借鉴人体下肢的一些参数，在零件的选择和校核计算过程中也要用到这些参数，具体参数见表3.1。表表3.1 中国青年几何统计表数据中国青年几何统计表数据足小腿大腿质量/kg 0.885 2.196 8.497 长度/mm 249 376 502 质心长度/mm 38 224 254 腿围/mm 253 355 507 因为本设计是要带动人的下肢进行关节旋转运动的，所以机器人下肢的旋转角度和运动灵活性也要和人行走时的下肢接近。考虑到本设计的使用对象是有运动功能障碍的患者，所以确定各旋转关节运动为：髋关节向前伸展范围为45 ，向后伸展为30 ；膝关节屈伸范围为80 ；踝关节向上折屈范围为30 ，向下伸展为30 。角度范围的选择是根据第2章中青年男子在行走时关节活动角度数据而定的。 3.2 各关节运动学分析本设计中的关节均为旋转关节，它由上下杆件和两块关节连接板，轴承及轴承盖和传感器组成。具体结构见装配图。 19 3.2.1 踝关节的运动学分析图 3.1 所示为下肢踝关节的运动学模型示意图。2是小腿杆的一部分的长度，1是气缸端部安装孔距小腿杆中心线的距离，L3是关节中心到气缸活塞杆接头关节轴承中心的距离，L 为气缸的长度（包括附件接头的长度），R 为关节中心 O 点到 L 的距离，为关节转过的角度。图3.1 踝关节运动学模型其中L1=110，L2=313，L3=178，单位为毫米，=100，的范围为30 +30。气缸的长度（包括附件接头的长度）由下面公式（3.1） 2 12 2 2 13 2 3 2 2 2 1 arctancos2 L L LLLLLLL 计算出的L范围为310450，行程为140。R的最小值为110。 3.2.2 膝关节的运动学分析图3.2 所示为下肢膝关节的运动学模型示意图。2是大腿杆的一部分的长度，1是气缸端部安装孔距关节中心水平方向上的的距离，L3是关节 20 中心到气缸活塞杆接头关节轴承中心的距离，L为气缸的长度（包括附件接头的长度），R为关节中心到L的距离，为关节转过的角度。图3.2 膝关节机构运动学模型其中L1=110，L2=402，L3=171，=120，气缸L的长度可由公式(3.1)算出。计算出的L的范围为350500，行程为150。R的最小值为110。 3.2.3 髋关节的运动学分析图3.3 所示为下肢髋关节的运动学模型示意图。2是大腿杆的一部分的长度，1是气缸端部安装孔距关节中心水平方向上的的距离，L3是关节中心到气缸活塞杆接头关节轴承中心的距离，L为气缸的长度（包括附件接头的长度），R为关节中心到L的距离，为关节转过的角度。其中1=60，L2=340，L3=135，=120，的范围为30 +45。气缸 L的长度可由公式(3.1)算出。计算出的L的范围为350-450，行程为100。R的最小值为74。 21 图3.3 髋关节机构运动学模型 3.3 关节力矩分析由于本设计的机械结构部分的作的是低速运动，所以零件的选择从静力学角度分析和计算。图3.4 力矩分析示意图其中： 22 、分别为髋关节、膝关节和踝关节的旋转角度，以轴正方 1 2 3 x 向为初始位置，图中所示角度的转向为正向、分别为大腿和小腿的长度 1 l 2 l 、分别为大腿、小腿和足的质心 1 c 2 c 3 c 、分别是大腿、小腿和足的质心到相应关节的距离。 1 l 2 l 3 l 根据力矩方程（3.2）TFl 得到各关节的力矩方程分别为 1111211223112233 cos( coscos)( coscoscos)Tm glm g llm g lll （3.3） 222232233 cos( coscos)Tm glm g ll （3.4） 3333 cosTm gl （3.5）式中：、分别是各质心处的质量，包括人体和机械结构总质量。 1 m 2 m 3 m 在下面的计算过程中，力矩的计算式均是按式（3.3）、（3.4）、T （3.5）的原理计算的，所不同的是，下面的计算均取的是极限位置，即各关节受到最大力矩的位置。 3.4 具体结构设计 3.4.1 关节结构的选择各个关节均为旋转关节，实现结构如图 3.5 所示。滚动轴承传动有摩擦阻力小，功率消耗少，启动容易等优点，可以充分利用气缸所作的功，减小机构体积。通过关节连接板将关节的两个杆件连接在一起，而且整个机构零 23 件分散，零件个体小，可以使整个关节结构轻便小巧、安全。图3.5 关节结构图 3.4.2 连杆结构的选择作为下肢大小腿的连杆机构既是传动装置又是执行装置。连杆的长度精度要求较高，本设计中连杆结构采用内外杆结构通过调节内外杆之间固定位置调整连杆的长度（即大小腿的长度）。如图 3.6 为小腿的结构，图 3.7 为大腿的结构。图 3.6 小腿的结构图 3.7 大腿的结构 24 3.4.3 腰部结构设计腰部结构主要为患者腰部提供支持和下肢与框架的链接。为适应不同腰围患者的需求，腰部结构中有铰链调整结构，可以调整腰围大小。同时为了适应人体行走时骨盆上下运动，腰部结构中有可以转动的关节结构。如图 3.8 是实体效果图。图 3.8 腰部实体效果图 3.4.4 减重机构减重机构如图 3.9 所示，它由滑车内的气缸带动安全带上下运动，安全带上的力传感器检测安全带上的力的变化，并根据力的变化调整减重气缸的供气压力，使得气缸提供恒定拉力，减重机构起到恒力减重作用。 25 图 3.9 减重机构图 3.4.5 整体结构设计设计总体结构时，要考虑到装配工艺过程和整体效果。具体装配方式见总体装配图。如图3.10是Pro-E实体效果图。图 3.10 Pro-E 实体效果图 26 3.5 一些零件的设计和校核 3.5.1 轴承的选择及校核本设计中的轴承主要承受径向力，所以选用深沟球轴承6000,它的径向基本额定动载荷C=13.2kN，预期寿命L=500小时。最大当量动载荷 P=600N，寿命指数=3，转速n=60r/min,轴承基本额定寿命Lh（单位为小时) 为 L P C Lh 6 6 102 n60 10 所选轴承6000符合要求 3.5.2 气缸的选择本设计中用到的气缸是根据德国Festo公司提供的型号选用的， 22 1.类型根据工作要求和条件，选择双作用单耳环气缸。 2.安装方式根据工作条件，选择摆动式单耳环气缸。 3.作用力大小负载力F，负载率=70%，气缸输出力F拉=F，F推=F，气体压力P=0.6MPa，由公式 F拉= 2 2 d D P （3.6）和F推= 2 22 d d-D P （3.7）由于F拉10MPa）。气缸的供: 气压力为0.6MPa，所以选择低压型空气压缩机。空气压缩机按工作原理分为三类：活塞式、螺杆式和透平式。本设计的场合是医院、康复中心、家庭等，要求空气压缩机的振动和噪声要小。螺杆式空压机的脉动小，振动小，噪音小，符合本设计的要求，所以选择螺杆式空气压缩机。（1）空气压缩机的输出压力a （4.1）ppp a 式中a 空压机的输出压力，MPa； p 气动元件的最高使用压力，MPa；启动系统的总压力损失，MPa。 p 本设计中=0.6MPa，=0.150.2MPa，由公式（4.1）可得： p a=0.750.8MPa （2）空气压缩机的吸入流量qa （4.2） ba kqq 式中qa 空压机的吸入流量，m3/min (ANR)； qb 气动系统的平均耗气量，m3/min (ANR)； k 修正系数，k=1.52.0。本设计中qb=0.6m3/min (ANR)，由公式（4.2）可得： qa=0.1m3/min (ANR) （3）空气压缩机的功率P 35 1 06. 01 1 1 1 1 1 Kn K aa p pqp K Kn P （4.3）式中P 空压机的功率，kW； p1 吸入空气的绝对压力，MPa； K 等熵指数，K=1.4； pa 输出空气的绝对压力，MPa； qa 空压机的吸入流量，m3/min (ANR)； n 中间冷却器个数。本设计中p1=0.1MPa，pa=0.8MPa，qa= 0.1m3/min (ANR)，n=1，由公式（4.3）可得： P=1.35kW 所选的空气压缩机型号为：德国BOGE公司的微油螺杆式空压机CL3，排气量：231L/MIN，工作压力：8BAR，马达功率：2.2KW， 2、后冷却器从空压机中输出的压缩空气温度可达180 ，在此温度下，压缩空气中的水分完全呈气态，如直接送入气罐和气动设备，将会带来不良后果。后冷却器的作用就是将从气泵出来的高温空气冷却至以下，将大量水蒸气40 C 和变质油雾冷却成液态水滴和油滴，以便将它们清除掉。后冷却器分为风冷式（HAA系列）和水冷式（HAW系列）两种。风冷式它是靠风扇产生的冷空气吹向带散热片的热气管道来降低压缩空气温度的。占地面积小、重量轻、紧凑、运转成本低，适用于进口空气温度低于 100，处理空气量较少的场合。风冷式的这些特点很适合本设计的要求，C 选用SMC公司的HAA22，主要参数见表4.1。 36 表表4.1 风冷式后冷却器（风冷式后冷却器（HAA22）的技术参数）的技术参数额定流量（L/min）最高使用压力（MPa）适用压缩机功率（kW）进口空气温度（）C 出口空气温度（）C 3300 1.0 225100 40 3、主管路过滤器气体经空气压缩机后，先经过主管道到各支管管道，在主管道中设置主管过滤器，在支管中再按工作需要装置各种除尘、除油和除臭的过滤器。主路过滤器的作用是清除压缩空气中的油污、水、粉尘等，以提高下游干燥器的工作效率，延长精密过滤器的使用寿。本设计选用SMC公司AFF系列中的AFF22B型号主路过滤器，主要参数见表4.2。表表4.2 AFF22B主路过滤器的主要参数主路过滤器的主要参数额定流量（L/min）使用压力范围（MPa）额定流量下的压降（L/min）环境和介质温度（）C 3500 0.151.0: 0.012 560: 4、空气干燥器压缩空气经后冷却器、主管路过滤器得到初步的净化后，仍含有一定量的水蒸气。气动回路在充排气过程中，元件内部存在高速流动处或气流发生绝热膨胀处，温度要下降，空气中的水蒸气就会冷凝成水滴，这对气动元件的工作产生不利的影响，所以需要干燥器来进一步清除水蒸气。干燥器就是用来清除水蒸气的。干燥器有高分子隔膜式、冷冻式和吸附式等。为了使用的方便，本设计选用高分子隔膜式干燥器（IDG系列）。这种干燥器的特点是：体积小、重量轻、无需排水器，带露点显示器，不用氟利昂，不用电源，无震动，无排热，使用寿命长，安装方便，除水率高等。符合本设计的要求，所以本设计 37 所选用SMC公司的IDG系列中的IDG-H型号，它的主要参数如表4.3。表表4.3 IDG-H的技术参数的技术参数进口压力范围（MPa）环境和介质温度（）C 输出流量（L/min）分流流量（L/min）输出空气大气压露点（）C 0.31.0: -550: 251000: 3110: -40 5、气罐气罐的作用主要是：消除压力脉动；依靠绝热膨胀及自然冷却降温，进一步分离掉压缩空气中的水分和油分；贮存一定量的压缩空气，一方面可解决短时间内用气量大于压缩机输出气量的矛盾，另一方面可在空气压缩机出现故障时，维持短时间供气，以便采取措施保证气动设备的安全。这里估算气罐的容积V 21 maxa 60PP tqP V （4.4）式中：气动系统的最大耗气量，单位：L/min； max q 气动系统允许的最低工作压力，单位：MPa； 2 P 突然停电时，气罐内的压力，单位：MPa； 1 p 大气压力，取MPa； a p0.1 a p 停电后，应维持气动系统正常工作时间，单位：s。t 式中=100L/min，=0.6MPa，=1MPa，t=20s，可得Vmin=10L。 max q 2 P 1 p 气罐选择了SMC公司的AT6C型号，技术参数见表5.4。表表4.4 AT6C的技术参数的技术参数适用空压机功率（kW）容积（L）最高使用压力（MPa）使用流体温度（）C 38 5.51001.00100: 6、截止阀截止阀的作用是：在执行元件不需要工作时或气动系统出现问题时，用来切断通路，或是它后面的通路中出现问题需要维修时，用来切断该部分支路，不去影响其它支路的工作。截止阀选择扬中市华威电力设备厂YZJ-2A J23W/H型外螺纹截止阀。 7、除油器除油器可以分离掉主路过滤器和空气过滤器难以分离掉0.35m气状: 溶胶油粒子及大于0.3m的锈末、碳粒，这些微粒会加速气动元件的损坏。本设计中采用SMC公司的AM550的除油器，技术参数见表5.5。表表4.5 AM550主路过滤器的主要参数主路过滤器的主要参数额定流量（L/min）使用压力范围（MPa）额定流量下的压降（L/min）环境和介质温度（）C 3500 0.051.0: 0.025 560: 8、除臭器除臭器的作用是除去压缩空气中的气味及有害气体，以获得清洁室所要求的压缩空气，本设计的使用采用SMC公司的AMF系列除臭器，其技术参数如表4.6所示。表表4.6 AMF550主路过滤器的主要参数主路过滤器的主要参数额定流量（L/min）使用压力范围（MPa）额定流量下的压降（L/min）环境和介质温度（）C 3500 0.051.0: 0.015 560: 9、空气过滤器在这里用的过滤器比主路过滤器的过滤精度高，为了进一步除去压缩空气中的固态杂质，水滴和污油滴等。选择的产品型号为SMC公司的AF-60的空气过滤器。 39 10、减压阀减压阀是出口侧压力可调（但低于进口侧压力），并能保持出口侧压力稳定的压力控制阀。它的作用是将较高的进口压力调节降低到符合使用要求的出口压力，并保证调节后出口的压力稳定。减压阀按压力调节方式有直动式减压阀和先导式减压阀两种，经比较选用先导式减压阀，因为它调压时操作轻便，流量特性好，稳压精度高，压力特性好。本设计对设备的安全性要求较高，所以选了SMC公司的外部先导式精密型减压阀(IR3120)，它的主要技术参数如表4.7。表表4.7 IR3120的技术参数的技术参数最高进口压力（MPa）最低进口压力（MPa）调压范围（MPa）控制压力（MPa）重复度 1.00.10.010.8:0.010.8:0.5% 11、压力表、消声器压力表的作用是测定并显示气动回路的压力高于大气压力的值，用来保证回路需要的压力。选择的型号为江苏金科仪表有限公司的Y-40压力表。比例阀在工作过程中，因为压缩空气流量和速度的变化，引起振动，便产生了强烈的排气噪声。噪声会损害人的听觉，影响键康。本设计要与人体直接相连，它的环境不允许有噪音，所以需要消声器。消声器选择的型号为上海中石化阀门制造有限公司的XSQ-1消声器。 12、比例流量阀流量型电气比例阀作用是实现输出流量进行比例控制。它的特点是：能实现程序控制、实现自动化；能实现连续控制、优化系统功能；使用功率小、发热少、噪声低；不会发生火灾、不污染环境、安全性高。这些特点很符合本设计的使用要求。结合本设计要求，选择SMC公司的先导式压力型电气比例阀中的VEF型号，参数见表4.8。 40 表4.8 VEF电气比例阀的主要参数最大电流（A）最高供给压力（MPa）额定消耗功率（w）电源电压（V）使用温度范围（）C 11.013 DC2410% 050: 13、两位四通直动式电磁换向阀直动式电磁换向阀结构简单，切换速度快，符合本设计的要求。选用德国 Festo 公司的 JMEH-4/2 电磁阀。 4.2 康复机器人的训练方式下肢功能性康复有多种治疗方式，一种是由专业人员来调整力量和速度来达到患者的要求，另一种方式是由器械来完成训练工作，可以在恒定低速状态下对患肢进行重复训练。下面介绍两种常用的物理疗法。（1）主动方式患者主动运动，机械下肢提供一定的阻力。机器的速度与患者的运动速度之间是恒定的比例关系，通过调节比例关系可以调整训练强度，机器的运动滞后于患者的运动。这种运动方式主要是用于巩固阶段的患者，或健身人员。（2）被动方式机器人带动患肢以设定的运动方式运动，不考虑患肢的阻力，通过重复训练达到恢复和保持肢体运动功能的目的。这种运动方式用于康复阶段的患者，运动速度较低。本设计的主要使用者是下肢有运动功能障碍的病人和老人，采用被动方式来恢复或保持他们下肢的运动功能，也可以采用主动方式来巩固和加强他们下肢的运动功能。本机器人采用不同的控制方法可以实现主动或被动方式，康复训练时选择其中一种即可。 4.3 气动自动控制方框图 41 供气系统直接为气缸供气，但是，要完全实现自动控制，还需要由单片机或计算机执行的控制系统。如图4.2中，是下肢自动控制系统的功能方框图，反馈信息为髋关节、膝关节和踝关节的实际旋转角度，经与给定的角度相比较形成一个闭环系统。当实际旋转关节超出给定角度值时，形 1 1 成差值，经放大器放大后，作用到流量比例阀上，控制流量大小，调uu 节气气缸的运动速度，改变旋转关节的角度，使其在按给定的运动方式运动。如图4.3中，是减重部分的控制自动控制系统的功能方框图，反馈信息为作用在气缸上的拉力f，经与给定的力F相比较形成一个闭环系统。当拉力超出给定值F时，形成差值经放大器放大后，作用到压力比例阀上，控制压力u 大小，调节气缸的压力，使气缸提供恒定压力。图 4.2 下肢气动自动控制方框图图 4.3 减重系统控制方框图 42 4.4 本章小结本章主要介绍了供气控制系统的设计，气动元件的选取过程。介绍了机器人的训练方式和控制的功能，为进一步完成自动控制系统的设计提供了理论基础。 43 结论本论文是在综述了目前国内外康复机器人的研究和应用的基础上，结合发展方向，针对康复训练的功能，具体阐述了一个基于步态控制的下肢康复机器人的设计。本设计的主要工作是设计出一个下肢有六个自由度（下肢每一条腿有3个自由度）的康复机器人及其相应的框架和减重机构（一个自由度），然后绑在人腰部和下肢上，分别带动髋关节、膝关节和踝关节的运动，从而训练相应部位的肌肉，帮助使用者恢复下肢的运动功能，它由减重机构、姿态控制机构、运动平板等组成。本文主要完成了以下工作： 1.根据康复训练机器人的应用对象、使用环境及技术指标的要求，结合人体工程学的基本知识和康复医学的基本理论，确定系统的总体方案，采用三个自由度分别实现单边髋关节、膝关节及踝关节的运动训练，总共采用7 个自由度。 2.结合康复器械的运动特点，比较多种驱动器的利弊，选用气缸作为康复训练机器人的驱动器。选择气缸的型号，进行所需行程的计算。 3.进行了结构设计计算。根据机械设计的基本理论和方法，选择能完成机械运动的合适的零件，设计计算零件的型号和尺寸。考虑制作工艺性和装配工艺性，设计连接件的结构，如关节，用于关节间连接的支架，下肢的伸缩杆结构等零件。 4.针对机器人的驱动方式和应用场合，对供气系统进行了设计，并初步分析了控制系统的基本组成和机器人的运行方式。设计出的康复训练机器人能够完成一定的康复训练工作，但要完全实现自动化控制，提高机器人的柔顺性，还需要开展如下的研究工作：(1)进一步研究气缸及其驱动关节的动态模型；(2)研究气缸闭环控制系统的特点，进一步提高系统的柔顺性。(3)进一步优化关节结构和杆件结构。 44 参考文献 1 张付祥，付宜利，王树国康复机器人研究现状J河北工业科技， 2005，22（2）：100-105 2 杜志江，孙传杰，陈艳宁康复机器人研究现状J中国康复医学杂志，2003，18（5）：293-294 3 Hogan N，Krebs I，Charnnarong J，Srikrishna P，Sharon AMIT- MANUS：A Workstation for Manual and Training JIEEE International Workshop on Robot and Human Communication，1992：161 165 4 Rehabilitation Center of 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