（机械电子工程专业论文）助行机器人机构设计及样机研制.pdf

c l a s s i f i e di n d e x ： 、 u d c ： 卜 u u u ； ad is s e r t a ti o nf o rt h ed e g r e eo fm e n g m e c h a n i s m d e s i g n a n d p r o t o t y p eo f w a l k i n g a i d e d r o b o t c a n d i d a t e ：p e n gj i n b o s u p e r v is o r ：p r o f z h a n gj i n y u a c a d e m i cd e g r e ea p p li e df o r ：m a s t e ro fe n g i n e e r i n g s p e ci a li t y ： m e c h a t r o n i ce n g i n e e r i n g d a t eo fs u b m i s s i o n ：d e c e m b e r ，2 0 0 9 d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ： m a r c h ，2 0 1 0 u n i v e r s i t y ：h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y o i t。， 0 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用己在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承 作者( 签字) ： 日期：州d 日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文眺授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后 口解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) 日期：洲口年乡月“目 新( 签字) ：躺硝 伽io 年弓艮心e l 0 彳 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 摘要 随着人们生活水平的提高，对康复治疗的需求越来越大，特别是康复训 练机器人。根据这种需求，研究设计了一种新型的康复训练机器人助行 机器人。该机器人模拟正常人行走的动作，不但可以对下肢有运动障碍的病 人进行下肢康复训练，而且可以辅助其正常行走。 本文介绍了康复训练机器人的国内外发展现状及应用情况，提出了助行 机器人的总体设计方案，整体结构包括三大部分：轮驱机构、起坐机构和助 力行走机构。并应用p r o e 三维设计软件进行了助行机器人总体结构设计， 利用p r 0 m e c h a n i c i a 模块进行有限元分析。在分析正常人行走规律的基础 上，运用i n v e n t o r 软件的c a g d 功能对助力行走机构进行了设计，并运用 m a n a b s i m u l i n k 进行建模、仿真与优化，最终确定了模拟正常人行走时的 机构参数。 本文分析了助行机器人起坐机构控制系统，对其进行了动力学分析，推 导了起坐机构动力学模型，在m a t ia b s i m u l i n k 环境下进行了动力学仿真和 控制仿真，完成了控制系统的设计和制作，通过实验研究证实了理论分析的 正确性，并完成了起坐机构模型的轨迹控制实验，系统运行平稳，抗干扰能 力强，跟踪误差达到了设计目标，从而进一步说明所建立系统的正确性和合 理性。 本课题进行了试验样机的研制，试验样机各部分功能满足要求，证明了 本课题理论研究的正确性和结构设计方案的可行性，为日后该机构的产业化 奠定了基础。 ， 关键词：助行机器人；行走机构；起坐机构；动力学；样机 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i d l yi m p r o v e m e n to fp e o p l e sl i v e s ，t h e r ea r ei n c r e a s i n gd e m a n d f o rr e h a b i l i t a t i o n ，e s p e c i a l l yf o rr e h a b i l i t a t i o nt r a i n i n gr o b o t i no r d e rt of u l f i l lt h i s d e m a n d ，an e wt y p eo fr e h a b i l i t a t i o nt r a i n i n gr o b o t ，c a l l e da i d e d - w a l k i n gr o b o ti s d e s i g n e di nt h i st h e s i s t h r o u g hs i m u l a t i n gn o r m a lp e o p l e sw a l k i n gb e h a v i o r s ， t h i sr o b o tc o u l dn o to n l yc a r r yo nl o w e rl i m br e h a b i l i t a t i o nt r a i n i n gf o rp a t i e n t s ， b u ta l s oa i dt h e i rn o r m a lw a l k i n g t h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no ft h er e s e a r c ho nr e h a b i l i t a t i o nt r a i n i n g r o b o t sb o t ha th o m ea n da b r o a da r ei n t r o d u c e di n d e t a i l ，a n dt h eo v e r a l l m e c h a n i s mo f a i d e d - w a l k i n g r o b o ta r e p r o p o s e d ，i n c l u d i n g w h e e l d r i v e m e c h a n i s m ，u p d o w nm e c h a n i s ma n da i d e dw a l k i n gm e c h a n i s m f u r t h e r m o r e ，t h e o v e r a l lm e c h a n i s mo ft h ea i d e d w a l k i n gr o b o ti sd e s i g n e db yp r o es o f t w a r e ，a n d a n a l y z e dw i t hf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sm e t h o di np r o m e c h a n i c at o o l b o x b a s e do nd e t a i l e d a n a l y s i s o fn o r m a l w a l k i n gb e h a v i o r s ，a i d e dw a l k i n g m e c h a n i s mi sd e s i g n e du s i n gt h ec a g df u n c t i o no fi n v e n ts o f t w a r e a tt h es a m e t i m e ，m o d e l i n g , s i m u l a t i o na n do p t i m i z a t i o no ft h ep r o p o s e da i d e d w a l k i n g m e c h a n i s ma r ef u l f i l l e dw i t ht h et o o l b o x e so fm a t l a b s i m u l i n k f i n a l l y , t h e m e c h a n i s m p a r a m e t e r so fn o r m a lw a l k i n gb e h a v i o r sa r ef i x e d t h ec o n t r o l s y s t e m o fu p - d o w nm e c h a n i s mo fa i d e d - w a l k i n gr o b o ti s a n a l y z e di nd e t a i l t h ek i n e m a t i c a la n a l y s i so ft h i s s t r u c t u r ei sc o n d u c t e d ， a c q u i r i n gt h ed y n a m i cm o d e lo fu p - d o w nm e c h a n i s m b o t hd y n a m i ca n dc o n t r o l s i m u l a t i o no fa i d e d - w a l k i n gr o b o ta r ef i n i s h e db o t hi nm a t l a b s i m u l i n ka n di n p r a c t i c e t h ef e a s i b i l i t yo ft h e o r ya n a l y s i si sv e r i f i e db yp r a c t i c a le x p e r i m e n t s a l s o ，t h et r a j e c t o r yc o n t r o le x p e r i m e n to fu p - d o w nm e c h a n i s mm o d e li sp u ti n t o p r a c t i c e d u r i n gt h ep r o c e s so ft h ee x p e r i m e n t ，s y s t e mr u ns t a b l y ，w i t hh i g h a b i l i t yo fa n t i - j a m m i n g i t st r a j e c t o r yp e r f o r m a n c ec o u l df u l f i l lt h ee x p e c t e d o b j e c t i v e s ，p r o v i n gt h ef e a s i b i l i t yo ft h ep r o p o s e ds y s t e m s f i n a l l y , t h ed e s i g na n dm a n u f a c t u r i n go fp r o t o t y p e t h ep e r o f r m a n c eo ft h e p r o t o t y p ei n d i c a t e st h a tt h et h e o r yc o n c l u s i o ni sc o r r e c ta n dt h es t r u c t u r ed e s i g ni s f e a s i b l e w i t ha l lt h e s ef o u n d a t i o n t h er o l l e rc h a i nh a r m o n i cd r i v ew i l lb e c o m e 气膏 哈尔滨下稃大学硕十学位论文 i n d u s t r i a l i z a t i o nl a t c r k e y w o r d s ：a i d e d w a l k i n gr o b o t ；w a l k i n gm e c h a n i s m ；u p - d o w nm e c h a n i s m ； d y n a m i ；p r o t o t y p e t a 膏 一 a 、 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 r 三暑 口水 第1 章绪论1 1 1 8 i j i 苤- 1 1 2 国内外发展与研究现状2 1 2 1 国外发展状况3 1 2 2 国内发展状况7 1 3 课题来源与目的8 1 4 本设计的主要工作内容9 第2 章助行机器人总体方案一1 0 2 1 引言1 0 2 2 人体步态研究1 0 2 2 1 人体步态特征分析一1 0 2 2 2 人体步态轨迹分析1 4 2 3 助行机器人的设计要求1 6 2 4 总体结构方案1 7 2 4 1 实现助行训练功能的条件及原理1 7 2 4 2 实现起坐功能的条件及原理1 8 2 4 3 实现轮椅功能的条件及原理1 8 2 5 本章小结2 0 第3 章总体机构设计及分析2 1 3 1 引言”2 1 3 2 轮驱机构的设计2 1 3 2 1 驱动电机的选择“2 1 3 2 2 驱动电机转速及功率校核”2 4 3 2 3 轮驱机构框架设计“2 6 3 3 起坐机构的设计与应力分析“2 7 3 3 1 起坐机构的三维设计“2 7 3 3 2 起坐机构的有限元分析2 9 3 3 3 驱动电机的选择3 4 3 4 助力行走机构的设计3 5 一 f a 、 ， j 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 3 4 1 膝关节轨迹的机构设计3 5 3 4 2 裸关节轨迹的机构设计3 6 3 4 3 六杆机构各参数的初步确定3 6 3 4 4 电机选择3 8 3 5 基于s i m u l i n k 的六杆机构运动学仿真- 3 9 3 6 基于p r o m e c h a n i s m 的六杆机构的运动仿真”4 4 3 7 本章小结4 5 第4 章起坐机构控制系统的建模与仿真4 6 4 1 弓i 言4 6 4 2 起坐机构控制系统动力学模型及仿真4 6 4 2 1 起坐机构动力学模型分析”4 6 4 2 2 起坐机构动力学仿真分析”4 8 4 3 起坐机构直流伺服系统的设计与仿真5 1 4 3 1 直流伺服电动机的基本模型”5 1 4 3 2 起坐系统基于s i m m e c h a n i c s 的动力学模型5 2 4 3 3 起坐系统速度环控制仿真5 3 4 3 4 起坐系统位置环控制仿真5 5 4 4 本章小结5 7 第5 章样机研制及实验研究”5 8 5 1 引言”5 8 5 2 实验控制系统一5 8 5 2 1 助行机器人样机”5 8 5 2 2 机器人控制系统5 9 5 - 3 单项功能实验“6 2 5 3 1 电动轮椅功能实验一6 2 5 3 2 起坐控制功能实验6 3 5 3 3 助行功能实验”6 4 5 4 本章小结6 6 结论”6 7 参考文献“6 8 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果7 2 致 射”7 3 一 f l 、 毒 哈尔滨t 稗大学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 概述 康复一词，译自英语r e h a b i l i t a t i o n ，是由词头r c ，词干h a b i l i s 和词尾a t i o n ， 合成而成的。其中r e 是重新的意思，h a b i l i s 是使得到能力或适应的意思，a t i o n 是行为状态的结果。因此r a h a b i l i t a t i o n 是重新得到能力或适应正常社会生活 的意思。康复用于现代医学领域，主要是指身心功能，职业能力，社会生活 能力的恢复。其后，世界卫生组织( w h o ) 康复专家委员会对康复的定义作 了如下说明：康复是指综合地和协调地应用医学的、社会的、教育的和职业 的措施，对患者进行训练和再训练，使其能力达到尽可能高的水平。经过数 十年的发展，康复的目的更加明确，即所谓重返社会。因此，1 9 8 1 年w h o 医疗康复专家委员会又把康复定义为：康复是指应用各种有用的措施以减轻 残疾的影响和使残疾人重返社会- 。 康复医学是一门新兴的学科，是2 0 世纪中期出现的一个新的概念。它是 - - n 以消除和减轻人的功能障碍，弥补和重建人的功能缺失，设法改善和提 高人的各方面功能的医学学科，也就是功能障碍的预防、诊断、评估、治疗、 训练和处理的医学学科。训练疗法是现代康复医学的重要内容和手段。伴随 着社会的需求，以及医学事业的发展的趋势，康复机器人技术逐渐发展起来， 这是机器人技术在医学领域的新应用，能够为患者提供安全，高强度和以任 务为导向的训练。目前康复机器人已成为国际社会研究的热点之一田。康复 训练机器人涉及到机器入运动学、机器人动力学、机械结构设计、电机驱动 伺服控制技术、硬件以及软件设计、人机学、康复医学等多种学科技术嘲。 现在，由于各种自然灾难、疾病以及交通事故所造成的残障人士正在逐 年增加。根据2 0 0 6 年开始的第二次全国残疾人抽样调查数据统计，目前中国 下肢残疾患者达2 4 1 2 万，占残疾人总数的2 9 0 7 。康复训练的服务对象除 了身体或精神有障碍的人以外，另一个主要的服务对象是老年人。老龄化， 是社会经济发展到一定阶段的产物，而且也是全世界面临的一个重大问题。 老年人口在许多国家都有增长趋势，我国也不例外。根据民政部发布2 0 0 8 年民政事业发展统计报告 4 1 至2 0 0 8 年底，全国6 5 岁及以上人口1 0 9 5 6 万人，占全国总人口的8 3 ，比上年上升了0 2 个百分点。6 0 岁及以上人口 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 1 5 9 8 9 力人，占全国总人口的1 2 ，比上年上升了0 4 个百分点。目前，我 国6 0 岁以上老人已达1 4 3 亿，预计再过十几年左右，6 0 岁以上的老人将达 2 4 3 亿。另外，报告还称，我国老龄人口高峰平台将在本世纪4 0 年代后期形 成，届时6 0 岁以上老人达4 3 亿人，占人口总数3 0 ；6 5 岁以上老人达3 2 亿，占人口总数2 2 。身体障碍与年龄老化一般成正比，年龄越大，疾病的 发生率越高，出现肢体运动障碍的可能亦越多，这正是令老年人及他们的家 属所担忧的问题。在老龄人群中有大量的脑血管疾病或神经系统疾病患者， 这类患者极易引起肢体的偏瘫或截瘫，需要进行康复训练和护理，才能够保 证肢体的康复，不至于肌肉老损或坏死p 1 。 康复机器人技术转化为机器人产品，有效的提高了我国上千万由于中风、 脑血管损伤导致的偏瘫等后遗症患者的康复治疗水平和生存质量，促进了我 国社会协调快速发展，推动了我国康复工程高技术产业产生、兴起并走向强 大，解除了上千万患者的痛苦以及上亿家属的后顾之忧旧。随着人们生活水 平的提高，患有肢体运动障碍的患者人数多，对康复治疗的需要也会越来越 大，因此，康复机器人技术是具有重大市场前景的产业化研究课题。康复机 器人成果的转化将会带动一个新兴的机器人产业的发展，这将对国民经济的 发展发挥重要作用7 1 。 1 2 国内外发展与研究现状 现代康复工程作为医学的一个独立分支，至今只有几十年的历史，即从 第一次世界大战后期起，为适应战伤残疾人的需要而逐渐发展起来。尤其借 助于二战积累的康复工作经验和对康复效果的确认，在战后的年代中康复医 学的各个方面都获得了迅速发展。目前，随着人口老龄化及各种疾病导致的 肢体运动障碍患者增多，他们这一类人群需要大量的护理和服务，因此，康 复医学与机构学结合起来的康复技术逐渐成为国内外研究的热点。康复机器 人的发展不仅为残疾人护理问题的解决提供了最佳方案，而且为病人和老年 人的日常生活护理问题的解决找到了出路。康复机器人可分为治疗型和辅助 型两种。治疗型康复机器人主要用来帮助患者完成肌体的各种康复锻炼，恢 复肌体的功能。辅助型康复机器人则主要是用来帮助肢体运动有困难的患者 更好的适应日常的工作和生活，完成各种动作。辅助型康复机器人按照其工 作方式又分为四种类型：工作站型康复机器人、移动护理类康复机器人、基 于轮椅的康复机器人和增强肢体功能的康复机器人。目前，康复机器人的研 2 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 i i i i i i 宣i i i i i i i i i i i i 宣宣i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i t i i i i i i i i i i i i i i i i i 究主要集中在康复机械手、智能轮椅和康复治疗机器人等几个方面。 1 2 1 国外发展状况 2 0 世纪6 0 年代初期，第一台康复机器人诞生。但是直到2 0 世纪七八十 年代，康复机器人技术才得到欧美等国家科研工作者和医疗机构的普遍重视， 随之逐渐发展起来。近几十年，随着欧美自动化的康复训练机器人技术不断 发展，在下肢康复训练方面，取得了一定的成果嗍。 图1 1 悬吊式带跑步机的下肢康复系统图1 2 悬吊式下肢康复系统 传统的下肢康复训练器是采用悬吊系统，将病人悬挂减轻重量之后，由 人工协助，在步行传送带上进行的。在这些开发的康复训练器械产品中，比 较典型的有悬吊式带跑步机的下肢康复系统p 1 和悬吊式下肢康复系统n o l ，详见 图1 1 、图1 2 。由于在训练过程中，它们都还需要专业人员的陪同，帮助患 者实现患侧的下肢摆动，保证其按照正常的步态进行行走练习，因此极大的 浪费了人力资源，并且人为操作下的步态动作缺少一致性、持久性和可评估 性，严重的制约了康复训练效率的提高和方案的改进。随着机器人技术的进 步，康复训练器械逐步减少对人的依赖，由半自动向全自动转变。现在，在 欧美等国家，下肢康复机器人的驱动方式包括踏板式、外骨骼式和绳驱悬挂 式等多种形式。 2 0 0 0 年，德国柏林自由大学( f r e eu n i v e r s i t yb e r l i n ) 成功研制 了一种踏板驱动方式的康复训练机器人m g t ( m e c h a n i z e dg a i tt r a i n e r ) i t t ， 如图1 3 所示。2 0 0 3 年，研究人员在此基础上，基于虚拟现实技术，开发出 了第二代的下肢康复机器人h a p t i c w a l k e r t l 2 1 ，如图1 4 所示。他们的共同点是 步态机构采用类双曲柄摇杆机构系统，通过产生理想步态模式，踏板驱动患 者足部做类椭圆轨迹运动。m g t 结构简单，在帮助患者进行康复训练时，患 者的躯干重力由悬挂系统承受，并依靠它保持患者身体的平衡，足部固定在 3 哈尔滨工程大学硕十学位论文 i i i i i i i i i i i i i i i ii i i i i _ i i i i i i i i 宣i i i 脚踏板上。它只是提供了脚部位置运动辅助，而不能提供髋、膝和踝关节的 辅助运动。与m g t 相比，h a p t i c w a l k e r 的脚踏板具有更加优异的性能，可以 实现矢状面内的任意轨迹和姿态运动。另外，它还有虚拟现实模式，使患者 置身于各种环境下进行康复训练，有利于患者病情的康复。 图1 3m g t 图1 4h a p t i cw a l k e r 近年来，绳驱动技术更多的得到了研究人员的重视，将它引入到康复i ) l i 练机器人中。同其它驱动方式相比，绳驱动有很多的优点，例如噪音小，没 有传动间隙。 图1 5s t r i n g r n a n 总体控制接口模型图1 6 s t r i n g m a n 2 0 0 1 年，德国弗朗霍费尔研究所( f r a n h o f e ri n s t i t u ti p 目基于绳索驱动方 式，研制出了下肢康复训练机器人s t r i n g m a n 1 3 1 ，如图1 5 、图1 6 所示。它在 步态分析、绳驱动并联机器人技术方面取得了一些研究成果。s t r i n g m a n 共有 6 个自由度，两个机构组合而成。一部分是身体减重绳驱机构，另一部分则 是人体姿态控制绳驱机构。当受训者穿上特别制作的衣服，衣服的各个重要 4 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 位置与绳索相连，通过控制绳索的张紧程度，调整受训者人体的重心位置以 及空间的姿态，在跑步机上模拟步态行走，实现对下肢强制性的康复训练。 2 0 0 1 年，瑞士苏黎士联邦工业大学( 硎) 和瑞士h o c o m a 公司联合研 制了四自由度外骨骼式步态康复训练机器人l o k o m a t 【1 4 j ，并在2 0 0 1 年世界工 业展览会上展出，如图1 7 、图1 8 所示。该机器人在左右髋关节和膝关节均 安装有直流电机，通过电机驱动精密滚珠丝杠传动，患者的大腿和小腿与外 骨骼架固定，模拟正常人行走时的步态以及重心变化的规律，带动人体下肢 作步态训练。另外，在每个关节部分，还安装有压力传感器，可以实时测量 患者和l o k o m a t 之间的相互作用力，采集必要的数据进行分析，进行步态 康复校正训练。l o k o m a t 的缺点就是它将下肢的步态运动限制在矢状面内【堋。 配重 感器 图1 7l o k o m a t 原理图图1 8l o k o m a t 2 0 0 2 年，美国南方保健医疗中心针对脊髓和中风患者研发出了一种外骨 骼式的步态训练机器人a u t o 锄b u l a t o r i 坷，如图1 9 所示。a u t oa m b u l a t o r 也 是在髋关节和膝关节安装有驱动电机，带动患者下肢作步态训练。同时，a u t o a m b u l a t o r 设计了许多安全功能。根据每个患者不同的身体要求，各个传感器 将监测到的数据返回给计算机系统，以便调整到最合适的力量和步行速度。 为了消除伤害的风险，在发生特殊情况时，例如严重的痉挛或者患者的脚放 置不当，机器人将自动停止步态训练。 2 0 0 5 年，美国芝加哥大学成功研制出康复机器人k i n e a s s i s t p7 。，如图1 1 0 所示。k i n e a s s i s t 机器人主要是帮助偏瘫患者或行走不便的患者进行行走锻 炼，包括两种不同的功能模式：步行锻炼模式和平衡运动模式。在刚开始训 练时，k i n e a s s i s t 可以支持患者的全部体重并且缓慢移动。治疗师根据不同 患者的实际情况，调整腰部机构的力量和水平阻力，确保在平地、上下楼梯、 哈尔滨- t 程大学硕十学位论文 地面不平等多种情况下，实现患者进行前进、后退以及横向移动等动作。在 后期的物理疗法中，k i n e a s s i s t 推动患者失去平衡，使患者逐渐依靠自身的 力量保持身体的平衡。 图1 9a u t oa m b u l a t o r y图1 1 0k i n e a s s i s t 目前，许多国家都把人机接口的研究应用到下肢康复和步态恢复训练中。 通过人机接口，建立各种虚拟的场景，使患者避开真实的训练环境，有利于 提升他们对待训练的态度，完成下肢的康复训练。 ( a )全方位型 ( b )前进型 图1 1 1 g a i t m a s t e r 2 0 0 4 年，韩国光州的人一机构一计算机接口研究实验室研制出了一种样机 i l s - t g l 。日本通过多年的研究，在康复机器人领域取得了不错的成果。他们将机 器人技术、生物信号测量技术以及虚拟现实技术结合起来，研制出一种下肢 康复机器人g a i t m a s t e r t z o j ，如图1 1 1 所示。g a i t m a s t e r 有两种型式：全方位型 和前进型。该机器人可以模拟在不同的环境下，如平地，上下楼梯，实现步 态训练。g a i t m a s t e r 全方位型如图1 1 1 ( a ) 所示。它的足部踏板是一个3 自 6 哈尔滨t 稃大学硕十学位论文 由度的可编程的运动转盘，当患者站立在运动转盘上，单独控制每一个运动 模块，可以使转盘转动到空间的任意角度，模拟患者在各种路况下的行走， 达到腿部训练的效果。g a i t m a s t e r 前进型如图1 1 1 ( b ) 所示。它的底部是2 个运动平台，每只脚对应一个，分别由直流电机控制，使它在导轨上往返运 动，而且，运动平台的支撑部分是剪叉机构，可以控制它的高度，模拟上下 楼梯场景，实现上下楼梯的踏步训练。 近年来，机器人技术与传统行走辅助设备相结合，最典型的就是智能轮 椅。智能轮椅作为医疗护理领域的服务机器人，其应用大量使用了移动机器 人技术。在智能轮椅的研究中涉及到的关键技术有导航系统、控制和能源系 统、人机接口。自1 9 8 6 年英国开始研制第一辆智能轮椅以来，欧美许多国家 投入了大量资金进行这方面的试验研究，并取得了不错的成果。 1 2 2 国内发展状况 1 9 8 8 年，中国康复研究中心成立，从国外引进了成套的康复训练器械， 并逐步开展对康复机器人的研究工作。对于上肢康复机器人的研究成果较多， 而对于下肢康复机器人的研究成果则较少。 麓? 哩r 一鼍 ( a ) 踏车式自动康复机 ( b )卧床式自动康复机 图1 1 2 宝达华系列下肢康复器 在我国，康复医学工程虽然得到了普遍的重视，机器人技术正在蓬勃发 展，但康复机器人研究仍处于起步阶段，通过借鉴国外的一些产品，我国也 开发出了很多的产品，但没有实现完全的智能化，大部分都是简单的康复训 练器械p “。目前，成熟的康复训练器械产品有宝达华系列下肢康复器，如图 1 1 2 所示网。该系统采用自行车原理，高度可调，以适应不同身高的人群， 而且，它的驱动电机采用无级调速，因为对于不同的患者，他们的腿部肌肉 7 薯 连 一矿喜攀 。镶 ， 哈尔滨 程大学硕十学何论文 i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 力量也可能不相同，需要的驱动力也不相同，无级调速则可以弥补这一缺陷， 适应广大的人群，针对不同的体制，提供必要的动力，引导患者腿部进行康 复训练。北京宝达华公司生产的卧式自动康复机，如图1 1 2 ( b ) 所示。它的 特点是没有驱动源，采用连杆机构原理，主要是针对中风偏瘫、脑瘫、截瘫 患者，利用他们健康一侧的肢体做往复运动，从而带动不能够主动运动一侧 的肢体，达到康复训练的目的。目前，国内的部分高校都已经开展了康复机 器人技术的研究，主要有清华大学、哈尔滨工程大学、上海交通大学、复旦 大学、哈尔滨工业大学等，取得了一定的成果，研制出了较为成型的康复机 器人样机i 酬。 2 0 0 2 年，清华大学在国家8 6 3 计划支持下，开展了机器人辅助神经 康复的研究，在国内率先研制出了卧式下肢康复机器人样机，如图1 1 3 所示。 从原理上来说，它就是一套曲柄摇杆杆机构，利用患者健康的上肢提供驱动 力，带动下肢做康复训练例。 图1 1 3 清华大学卧式下肢康复机器人图1 1 4 下肢康复训练机器人 为了逐渐恢复偏瘫患者的下肢功能，最终实现自主独立行走，哈尔滨工 程大学机电一体化研究所致力于下肢康复训练机器人的研究，研制出一种下 肢康复训练机器人样机，如图1 1 4 所利冽。它主要由3 大部分机构组合而成： 步态训练机构、姿态机构和重心平衡机构。而且，通过获取患者下肢的生物 信息，协调重心控制系统和步态系统的运动关系，可以实现脚的姿态调整。 1 3 课题来源与目的 本课题来源于国家8 6 3 计划项目。 在传统的康复医学领域，偏瘫康复训练方法还是依赖于治疗师用手控制 患者进行下肢训练，多以肌力训练为主，这样患者会出现偏瘫步态“行走 8 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 等误用综合征，妨碍患者实用功能的恢复。本课题的目的是设计开发出一种 多功能助行康复机器人，专为截瘫、偏瘫以及行走不便病人使用的下肢康复 器械，实现各使用人士辅助行走、辅助起坐、自主移动和下肢康复训练等功 能。它从人机合作理论和人体生理学出发，充分考虑了患者生理上和心理上 的需求，训练时的安全性以及身体的舒适度等问题，使得多功能助行机器人 具有良好的柔顺性，患者可以非常轻松自主的进行康复训练及日常生活，实 现定量评价康复训练效果。而且，它对于减少老年人及残障人士对于他人的 依赖性，获得较为独立生活的能力，减轻一些难言的苦恼羞耻感，恢复他们 做人的自信与尊严，具有一定的现实意义。 1 4 本设计的主要工作内容 本课题的研究对象是助行机器人，主要完成对助行机器人机械本体的设 计、制造与装配，并基于d s p a c e 半物理仿真平台进行了实验研究，其主要 内容如下： 1 、助行机器人总体方案的设计。根据系统的设计目标，确定了助行机器 人实现助行康复训练功能时所应具备的条件，根据这些条件将助行机器人的 整体分为三大部分：轮驱机构、起坐机构和助力行走机构。并且，对助行机 器人的总体方案安全性以及合理性进行了分析。 2 、助行机器人起坐机构的运动学分析及控制仿真。助行训练机器人起坐 机构控制系统运动学分析，推导了起坐机构控制系统动力学模型，进行仿真 分析，并依据动力学模型进行了控制仿真，研究影响系统控制性能的因素。 3 、轮驱机构和起坐机构的原理分析及设计。根据机械结构原理，运用 p r o e 三维软件对轮驱机构和起坐机构进行了详细的三维设计，并利用 p 删，m e c 地气n i c a 模块三维软件对结构进行应力分析和强度校核。 4 、助行机器人样机实验研究。基于d s p a c e 半物理仿真平台，对助行机 器人样机进行实验研究，验证机器人各个机构单元的性能，检验其是否符合 设计要求。 9 一 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i t iittt i i i i i i 2 1 引言 第2 章助行机器人总体方案 由于心脑血管疾病而导致偏瘫的患者一般会出现肢体运动障碍等症状。 医学理论和实践证明，这种偏瘫后遗症除了及时的早期药物治疗和手术治疗 以外，肢体的康复训练运动对于恢复者的运动肌能，提高康复水平具有重要 作用。助行机器人根据康复医学理论和人机合作机器人的原理，在助力行走 机构的辅助下，按照正常人的步态特征规律，帮助下肢具有运动障碍的患者 进行被动式的康复训练，有利于患者恢复肢体运动功能。本课题的主要任务 是完成助行机器人助力行走机构、轮驱机构以及起坐机构的设计与控制。作 为帮助有下肢运动障碍的患者进行康复训练的机器人，因为对象比较特殊， 所以应该从患者的需要出发，具有合理的结构，并且尽量提高助行机器人的 可靠性、安全性和舒适性。因此，本章将结合人体步态特征，分析助行机器 人的工作原理与整体结构方案。 2 2 人体步态研究 2 2 1 人体步态特征分析 根据人体解剖学，人体下肢骨胳结构如图2 1 所示。 髋骨 尾骨 股骨 髌骨 腓骨 胫骨 踝关 骶骨 髋关节 膝关节 跗骨 踱骨 趾骨 图2 1 人体下肢骨胳结构 1 0 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 人体下肢是由髋骨、股骨、髌骨、胫骨、腓骨和足骨组成，运动关节主 要包括髋关节、膝关节、踝关节3 个部分，髋关节为髋骨与股骨构成的具有 3 个自由度球形关节，可以完成大腿绕三个方向的旋转运动。膝关节是股骨 和腓骨的连接关节，具有一个自由度，可以实现小腿的运动。踝关节则是由 几种骨架组合而成，包括胫骨、跗骨和踱骨，可以实现足部的各种运动。各 个关节的运动情况以及共性特征如表2 1 所示。 表2 1 下肢各关节运动关系 肢体关节个性特征共性特征 屈、伸、收、展、旋 髋关节 内、旋外、环转 下肢 屈、伸 膝关节屈、伸、旋内、旋外 踝关节屈、伸 从机械结构原理的角度来看，人体下肢可视为一个铰链连杆机构，由骨 盆、大腿、小腿和足四个构件组合而成，分别以髋、膝、踝关节为转动副。 通过对下肢各关节进行分析，可以建立下肢的简单力学模型，如图2 2 所示。 髋关节 l ， 膝关节 小腿 图2 2 下肢简单力学模型 助行机器人最主要的目的是恢复患者大腿和小腿的运动机能，也就是实 现下肢个部分绕其铰接点运动。根据下肢简单力学模型，建立如图所示的广 义坐标系。假设人体下肢髋关节的位置固定不动，并将髋关节的中心位置设 ， 一 哈尔滨一r = 程大学硕十学位论文 为坐标原点，水平方向为x 轴，竖直方向为y 轴，以逆时针方向为正。其中， 髋关节处大腿相对于竖直方向的角度为吼，膝关节出小腿相对于竖直方向的 角度为口：。 通过对人体行进时的步态研究，可以测出大腿的小腿的运动范围如图2 3 所示。由图可知，在一个步态周期内，大腿的摆动角度矾为1 5 。+ 3 0 0 ，大 腿相对于小腿的摆动角度q 1 玑为+ 5 0 + 5 0 0 。 t l s 图2 3 下肢转角范围 为了帮助患者下肢完成步态行走，因此，必需要根据正常人步态来设计。 所谓的正常步态，就是指一个健康的成人当他用自我感觉最自然、最舒坦的 姿态走路时的步态。图2 4 就是正常人行走时的一个完整步态周期相位图。 支撑相 初始地面力 接触反馈 摆动相 辈磊萎斋预摆动翼装辈藉中相终相耿丁云训摆动中相 摆动 终止 图2 4 人体正常步态相位 通过大量的科学研究，由图可知，正常的步态应该具有以下三个特点： 身体保持始终平衡、步长适当和步行时所消耗能量最少。步行是躯干和肢体 共同参与的有节律的活动，包括人体重心移位，骨盆倾斜旋转，髋、膝、踝 关节伸屈及内外旋展等，使人体产生位移的一种复杂的运动。步行时躯干肌 和肢体屈伸肌群交替协调收缩，带动各关节活动并产生能量，并伴有骨盆旋 转、重心转移及动、位能转换等。上肢也对协调运动、平衡、迈步等起作用。 哈尔滨t 程大学硕十学 _ 奇：论文 1 因此，步行是一个精确而复杂的运动过程。 人体下肢运动规律性较强，对于健康人群的步态，具有周期性、可重复 性和对称性。步行周期划分步行时，一侧足跟着地至同侧足跟再次着地为1 个步行周期。一个步行周期又分为2 个时期：足跟与地面接触时的支撑期和 足趾离开地面时的摆动期。其中，支撑期约占步行周期总时间的6 0 ，其余 则为摆动期例。步态运动基本上都是在一个矢状面内完成的。按照足部与地 面的位置关系，支撑相可分为初始接触阶段、地面力反馈阶段、站立中相阶 段、站立终相阶段、预摆动阶段；摆动相可分为初始摆动阶段、摆动中相阶 段、摆动终止阶段，如图2 4 、图2 5 所示。支撑期分为单侧肢体支撑期和双 侧肢体支撑期。双侧肢体支撑期是指一侧肢体尚未离地，而另一侧肢体也进 入支撑相位，两侧肢体同时承受身体的重量。双侧肢体支撑期又可以分为前 足着地双足支撑期和后足蹬