穿戴式机械腿机构的设计【优秀】【word+9张CAD图纸全套】【毕设】

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实习论文

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腰带.DWG

腰带扣.DWG

英文及翻译

转接2.DWG

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任务书

论文题目     穿戴式机械腿机构设计

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；

4.查阅文献15篇以上，翻译不少于5000印刷符的英文资料；

5.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；

6.撰写毕业论文，篇幅不少于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，1001-4551(2012)10-1125-05

【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，2012,6.10

【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，1672-3791

【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，1671-512( 2005) 06-0105-03

【10】金振林，曲梦可，六足步行机器人的并联机械腿设计，10. 3788/OPE. 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，1002-6811

【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，2006.5

【13】濮良贵 纪名刚.机械设计 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，2006.5

【14】周建方等.材料力学 机械工业出版社，普通高等教育机电类规划教材，2002.1

【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，2007.7

中文摘要

  本论文研究穿戴式机械腿机构。穿戴式机械腿是一种典型的人机一体化系统，该机构是一种穿戴于人体腿部帮助有下肢乏力的患者进行康复治疗的机械结构。本文在人-机相容性方面做了详细的分析，使本机构在较好的穿戴位形下依靠人体的运动信息控制穿戴式机器人，在运动过程中提高人机步态的一致性，达到更好的康复治疗的目的。

   论文分析了国内外研究现状，了解了国内外相关研究的背景情况、研究进展和未来的发展问题，总结了下肢康复机器人研究中还存在的问题，进而确定了本文的主要研究内容及所需解决的关键问题。

   本文确定了下肢康复机器人机构的自由度，对机构进行了关节布位，通过自由度的分析对人-机联接模式和约束性质进行了研究，从而确定了骨骼-机构联体模型。在人体骨骼模型的基础上，提出了一种机构构型方案。对人-机相容性进行了定义，分析了人-机相容性的影响因素。在此基础上分别对人体下肢骨骼模型和这种机构构型进行了三维模型设计。

关键词:康复机器人,人-机相容性,机构设计

Abstract

   This study discusses lower extremity rehabilitative robot. The lower extremity rehabilitative robot is a typical man-machine integrated system; it is worn on the body of a limb to help patients with physical disabilities rehabilitation of mechanical devices. In this paper, man-machine compatibility has done more analysis and with well wearing this equipment to rely on the human body configuration under the control of lower extremity rehabilitative robot motion information. It improves the consistency rehabilitation of human gait in  the  course of the campaign to achieve better purposes.  

   This  paper analyzes  the research situation  and  has  a research about the background of relevant research at home and abroad, progress of research and future development. Lower extremity rehabilitation robot research summarized the problems still exist, and then this article determines the main contents, and the key issues need to be resolved.

   This paper has identified the DOF of lower extremity rehabilitative robot and the joint distribution of digital agencies. Through the analysis in freedom this article do the research on the human-machine connection mode and the nature binding. Two programs of mechanism are proposed based on the bone一body conjoined model. The study defines the compatibility of human-machine and analyzes the compatibility factors of human-machine. On this basis, the human skeleton model and the configuration of the two agencies are conducted by the three-dimensional model design respectively.  

Keywords: rehabilitative robotics, man-machine  compatibility,   mechanism design  

目 录

中文摘要I

AbstractII

第一章 绪论1

1.1研究背景1

1.2下肢康复机器人概况2

 1.2.1康复机器人研究历史2

1.2.2下肢康复机器人分类3

1.3下肢康复机器人的研究现状5

 1.3.1国外研究现状5

1.3.2国内研究现状9

1.4下肢康复机器人研究存在的问题11

1.5课题意义及主要研究内容11

第二章 穿戴式机械腿机构运动分析13

2.1 引言13

2.2人体下肢生物骨骼模型13

2.3骨骼的运动与下肢关节13

第三章 穿戴式机械腿机构设计19

3.1穿戴式机械腿设计19

 3.1.1三维模型设计19

 3.1.2膝关节、踝关节及脚部设计21

 3.1.3下肢连接器26

 3.1.4大小腿弹簧助力器及保护26

 3.1.5下肢骸部设计28

 3.1.6 腿部固定30

第四章 强度校核31

4.1关节旋转连接器受力分析31

设计总结34

参考文献36

致谢38

第一章 绪论

1.1研究背景

  我国已经进入老龄化社会，老龄化问题逐渐得到关注。《2009年度中国老龄事业发展统计公报》称，2009年我国60岁及以上老年人口己达到1.6714亿，占总人口的12.5%;到2015年我国60岁及以上老年人口将达到2.16亿，约占总人口的16.7%。在老龄人群中有大量的脑血管疾病或者神经系统疾病患者，其中以脑卒中患者居多，而这类患者多数会留下偏瘫等症状。另外，近十年来我国各类交通运输工具的保有量迅速增长，因交通事故造成身体损伤的人数每年超过30万人。据统计，我国目前有8296万残疾人，有康复需求的接近5000万，每年因车祸、疾病等原因新增的残疾人数量达100多万。医学理论和临床医学证明，这类患者除了早期的手术治疗和必要的药物治疗外，正确的、科学的康复训练对于肢体运动功能的恢复和提高起到非常重要的作用。

   由于脑的可塑性，医学上通常是通过重复的、特定任务的训练让患者进行足够的重复性活动，从而使重组中的大脑皮质通过深刻的体验来学习和储存正确的运动模式。减重活动平板步行训练的治疗方法就是基于上述原理对患者进行训练并且取得了良好的临床效果，成为下肢康复医疗采用的主要方法。训练采用悬吊式减重器和活动平板(医用跑步机)配合工作来协助患者完成步行动作。其悬吊装置可以不同程度地减少患者上身体重对下肢的负荷，患者在康复治疗师的帮助下借助于运动平板进行康复训练。训练过程中一般需要两名治疗师相互协调，一名治疗师在患者侧面帮助并促进患者侧下肢摆动，确定脚跟先着地，防止出现膝关节过伸，保证两腿站立时间与步长对称;另一名治疗师站在患者身后，促进重心转移至负重腿上，保证骸屈伸、骨盆旋转和躯干直立。减重步行训练可以获得较为理想的肢体功能恢复效果，但是这种治疗师对患者“手把手”式的训练方式存在一些问题。

   首先，一名患者需要两名治疗师进行运动训练，效率低下，并且由于治疗师自身的原因，可能无法保证患者得到足够的训练强度，而且治疗效果会受到治疗师自身经验和水平的影响。

   其次，不能精确控制和记录训练参数(运动速度、轨迹、强度等)，不利于治疗方案的确定和改进;不能记录描述康复进程的各种数据，康复评价指标不够客观;无法建立训练参数和康复指标之间的对应关系，不利于对患者神经康复规律进行深入研究。

   再有，不能向患者提供实时直观的反馈信息，训练过程缺乏吸引力，患者多为被动接受治疗，参与治疗的主动性不够。

   可以看出，单纯依靠治疗师进行康复训练，无疑会制约康复训练效率的提高和方法的改进。因此，开拓更加广泛的康复训练手段和进一步提高康复效率是解决患者运动功能障碍的当务之急。而突破这个问题的关键在于科学技术的创新，下肢康复机器人技术的发展和运用解决了这个问题。首先，机器人不存在“疲倦”的问题，能够满足不同患者对训练强度的要求;其次，机器人可以将治疗师从繁重的训练任务中解放出来，而专注于制定治疗方案、分析训练数据、优化训练内容并改进机器人的功能;再次，机器人可以客观记录训练过程中患者患肢的位置、方向、速度以及肌力恢复状态等客观数据，供治疗师分析，以评价治疗效果;更进一步，机器人所记录下的详细数据，使得治疗师有可能从中发现数据与治疗结果之间的对应关系，从而有可能深入了解中枢神经康复的规律;还有，使用机器人技术可以通过多媒体技术为患者提供丰富多彩的训练内容，使患者能够积极参与治疗，树立康复信心，并及时得到治疗效果的反馈信息;最后，机器人治疗技术使得远程治疗和集中治疗(一名治疗师同时为几名患者提供指导)成为可能，通过将成熟的产品推广应用，最终使所有的患者受益。

1.2下肢康复机器人概况

   康复机器人是康复医学和机器人技术的完美结合，人们不再把机器人当作辅助患者的工具，而是把机器人和计算机当作提高临床康复效率的新型治疗工具。

  下肢康复机器人是目前康复机器人研究领域的一个主要研究对象。它主要用于辅助患有脑血管疾病或神经系统疾病的患者进行下肢的康复训练，帮助他们重获步行能力。它可以在专业的医疗机构甚至在家中使用，使患者获得更强的独立生活能力，并能相当大的提高他们的生活质量。在过去的几年中，下肢康复机器人在世界各国己经有了很大的发展并取得了相当多的成果，一些企业在其技术开发及投资方面有了很大的投入，下肢康复机器人技术正在向产业化和普及化发展。

1.2.1康复机器人研究历史

  第一次尝试把为残疾人服务的机器人系统产品化是在20世纪的60年代到70年代，实践证明这些尝试都失败了。失效原因主要有2个方面:其一是设计的不理想，尤其是人机接口;另一个不是技术的原因，而是因为单价太高导致了康复机器人产品化的失败。

   20世纪80年代是康复机器人研究的起步阶段，美国、荷兰和瑞士在康复机器人方面的研究处于世界领先地位。90年代以来，全世界己有超过20所大学的实验室及康复医疗机构相继开展了基于机电结合机器人技术的下肢康复训练系统的研制和实验研究工作。

   首先在机械手方面取得了一定的成就。1993年，Lum P. S.等研制了一种称作“手-物体-手”的系统(hand-object-hand system），如图1-1左图，用来对一只手功能受损的患者进行康复训练。这种双手物理治疗辅助机器包括两个置于桌面上可绕转轴转动的夹板状手柄，其中一个手柄下端连接在驱动电机上，电机可以辅助患者完成动作。

   1995年，Lum P. S.等又研制了一种双手上举的康复器(bimanual lifting

rehabilitator），如图1-1右图，用来训练患者用双手将物体举起这一动作。该设备为两自由度连杆结构，当患者双手握住手柄将其举起时，设备既可测量被举物体的垂直位置及倾斜角度参数，也可以在左手(患侧手)无法产生足够大的力时予以辅助，机器所施加的力可以按患者的需要改变，从而保持上举动作的平衡。

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

【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，1001-4551(2012)10-1125-05

【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，2012,6.10

【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，1672-3791(2012)11(c)-0005-03

【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，1671-512( 2005) 06-0105-03

【10】金振林，曲梦可，六足步行机器人的并联机械腿设计，10. 3788/OPE. 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，1002-6819(2012)-20-0041-09

【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，2006.5

【13】濮良贵 纪名刚.机械设计 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，2006.5

【14】周建方等.材料力学 机械工业出版社，普通高等教育机电类规划教材，2002.1

【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，2007.7