（机械电子工程专业论文）下肢康复机器人减重支撑系统设计与装置研究.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 减重步行训练是当今辅助脑卒中和脊椎损伤患者恢复下肢步行能力的一种 重要手段，外骨骼式下肢康复机器人正是进行减重步行训练的一种自动化设备。 外骨骼式下肢康复机器人主要有两个功能：帮助患者卸去自身无法承载的身体 重量同时保持身体平衡；帮助患者的下肢按照预先设置的行走步态进行步行训 练。前者通过下肢康复机器人的减重支撑系统来完成，后者由外骨骼式矫形器 实现。 本文研究的是一种用于下肢康复机器人的可以自主控制的减重支撑系统， 它不仅是下肢康复机器人的重要组成部分，更是进行减重步行训练的前提与必 要条件。 本文第一章简要介绍了减重步行训练的研究背景和原理，概述了现有下肢 康复机器人减重支撑系统的几种形式及存在的不足。第二章则是通过进一步分 析行走时人体重心运动的变化规律，为减重支撑系统的设计提供理论依据，并 根据下肢康复机器人对减重支撑的要求来提出机构设计的具体要求。第三章设 计了一种减重支撑系统，该机构能够使患者在步行训练时卸去自身体重并保持 平衡以实现运动康复。第四章则是对系统进行运动学和动力学分析，为后续选 择合适控制方式奠定基础。第五章建立了系统的控制系统模型并通过仿真实验 证明了其可行性。第六为搭建交流伺服控制平台，并通过实验进一步验证方案 的可行性。最后，第七章介绍了本硕士论文的研究结果和创新点，提出了今后 研究的方向。 关键词：减重支撑系统减重步行训练结构设计动力学分析 v 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t b o d yw e i g h ts u p p o r tt r e a d m i l lt r a i n i n g ( b w s t r ) h a sb e e na l li m p o r t a n t m e r l lf o rr e h a b i l i t a t i o no fl o c o m o t i o ni ns t r o k ea n ds p i n a lc o r d - i i l j u r e d ( s c i ) i n d i v i d u a l s n l ee x o s k e l e t o n t y p el o w e re x t r e m i t yr e h a b i l i t a t i o nr o b o ti sal d n d o fa u t o m a t i cd e v i c ew h i c hc a l lc a r r yo u tt h eb w s t t i tm a i n l yh a st w o f u n c t i o n s ：t ou n l o a dp a t i e n t sb o d vw e i g h tt h a tt h e yc a l ln o ts u p p o r ta n d m a i n t a i nt h ep h y s i c a lb a l a n c e ；t oh e l pp a t i e n tw a l k i n gt r a i n i n ga c c o r d i n gt h e p r e - s e tw a l k i n gg a i t t h ef o r m e rc o m p l e t e db yt h eb w ss y s t e m w h i l et h el a t t e r 删也e db yt h ee x o s k e l e t o no r t h o s i s t h i sp a p e ri sp r o p o s e dt od e v e l o po fas e l f - c o n t r o lb w ss y s t e mf o rl o w e r e x t r e m i t yr e h a b i l i t a t i o nr o b o t i ti sn o to n l yo n ei m p o r t a n tp a r to ft h em b o lb u t a l s oa p r e m i s ea n dan e c e s s a r yc o n d i t i o nf o rb w s t t c h a p t e rli n t r o d u c e st h er e s e a r c hb a c k g r o u n da n dp r i n c i p l eo fb w s t t t h e ns u m m a r i z e st h ea p p l i e dt e c h n i q u e sa n ds h o r tc o m i n g so ft h ee x i s t i n g r e h a b i l i t a t i o nr o b o t s a tt h eb e g i n n i n go fc h a p t e r2 ，t h ea u t h o ra n a l y s e st h e s p o r t sl a wo fh u m a ng r a v i t yc e n t e ri nw a l k i n g , w h i c h c a l lp r o v i d et h et h e o r e t i c a l b a s i sf o rb w ss y s t e m ，a n dp u t sf o r w a r dt h es p e c i f i cr e q u i r e m e n to fd e s i g no n t h er e q u e s to ft h el o w e re x t r e m i t yr e h a b i l i t a t i o nr o b o t i nc h a p t e r3 ，t h ea u t h o r d e s i g n sab o d yw e i g h ts u p p o r ts y s t e mw h i c hc a nh e l pp a t i e n t sw a l k s oa st og e t w e l l i nc h a p t e r4 ，t h ek i n e m a t i c sa n dd y n a m i c sa n a l y s i so ft h eb w ss y s t e ma l e i n t r o d u c e dc o n c i s e l y , i no r d e rt oc h o o s eas u i t a b l ec e n t r e lm o d e i nc h a p t e r5 t h ea u t h o rd e s i g n sac o n t r o ls y s t e mo ft h eb w ss y s t e ma n dd e m o n s t r a t e st h e f e a s i b i l i t yt h r o u g ht h es i m u l a t i o ne x p e r i m e n t s i nc h a p t e r6 ，t h ea u t h o rb u i l d s t h ea cs e r v ec o n t r o lp l a t f o r mb a s e do nv i r t u a li n s t r u m e n ta n dd e m o n s t r a t e st h e f e a s i b i l i t yt h r o u g ht h ee x p e r i m e n t so nt h ee x p e r i m e n t a lp r o t o t y p e ，n 坞r e s u l t s h o w st h a tt h ed y n a m i cp e r f o r m a n c eo fs y s t e r ni ss t a b l e ，a n dt h eg u i d e l i n e sa r e a c h i e v e d a t1 a s t , c h a p t e r7i n t r o d u c e st h er e s u l ta n di n n o v a t i v ep o i n t so ft h i s t h e s i s a n dp u tf o r w a r dt h er e s e a r c hd i r e c t i o n k e y w o r d s ： b w s s y s t e m b w s t t s t r u c t u r a ld e s i g n d y n a m i c sa n a l y s i s v i 上海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 蝉啡业 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名： 醐：蚪 上海大学硕士学位论文 1 1 课题来源 绪论 本硕士论文是国家高技术研究发展计划项目( 项目编号2 0 0 6 a a 0 4 2 2 2 4 ) 研究的重要组成部分。 1 2 课题研究背景 随着科技进步和人民生活水平的提高，我国和世界上许多国家一样，正在 步入老龄化。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 者多数伴有偏瘫症状。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 多，因交通事故而造成神经性损伤或者肢体损伤的人数也越来越多。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【l 】。 1 2 1 减重步行训练的原理 减重步行训练( b o d yw e i g h ts u p p o r tt r e a d m i l lt r a i n i n g ，b w s t t ) 是近年来应用 于下肢康复训练的一种方法，即在卸去患者自重并保持其自身平衡的前提下， 通过人工或者自动化设备，模拟正常人的步态轨迹进行步行训练，来帮助患者 恢复步行能力。减重支撑是其中非常重要的一部分，由于患者下肢无法承载自 身的重量、难以保持自身的平衡，所以在训练过程中，必须采用必要的方式为 患者卸载自重，并帮助其保持平衡。可见，如何选择减重支撑方式以及减重性 能的优劣将直接影响到步行训练的效果。 减重步行训练的原理是基于大脑可塑性理论而言的，大量的临床结果也已经 证实了大量的康复运动训练能够促进神经系统发生重组和代偿，这种影响对于损 上海大学硕士学位论文 伤后很久( 半年以上) 的患者依然有效【。 传统的减重步行训练是由人工完成的，训练时，使用减重吊带将患者吊起以 减去其下肢的负重，吊带的另一端一般是直接连接在支架上，或者使用配重块。 步行训练一般由两名治疗师来指导完成：一名帮助患者腿摆动、支撑期患足跟着 地、防止支撑期膝过伸。另一名帮助患者进行身体重心转移、髋伸展、骨盆旋转， 并保持患者躯干的直立 2 1 。显而易见，这样的训练方法中，患者是在完全减重的 情况下进行步行训练的，这在训练初期是必要的，但是，随着患者下肢功能的逐 渐康复，下肢依然得不到支撑锻炼，就必然影响到步行训练的效果。所以，至上 世纪八十年代末开始，各种可以自主控制减重量的减重支撑系统就陆续问世，用 以替代传统的减重机构。 所谓自主控制的减重支撑系统，在控制减重量精度上，较传统的减重设备 有了质的飞跃，并且能自动调整减重量的大小用以调节下肢的负载，此外，它 无需理疗师就可以在步行训练时保持患者的身体平衡。这样的减重支撑系统对 于恢复步行能力、纠正步态、改善平衡、减轻肌肉痉挛及减少心肺负荷等方面 较传统治疗均有很大优势，同时降低了治疗师的工作强度，提高了治疗安全性 【3 】【9 】。 1 2 2 减重步行训练的作用 b w s t r 可在正确的步行原则下同时训练步态循环中的不同成分( 负重、前 进、迈步、重心转移等) 。它可看作一种强制性使用，训练时强迫患者迈步，强 化下肢的运动任务。如果这种强制达到一定时程、频率和强度，可防止发生下肢 废用，强化训练效果，发生运动再学习或神经通路的重组【1 0 h 1 1 1 。传统的下肢康 复训练强调的是对下肢各关节分离运动的诱发，它是对步行中迈步、平衡、重心 转移等的分解单独训练，而这些成分性因素与其在真实的步行环境中表现得有所 不同，故有时出现患者分离运动较充分，而实用性不足的情况。而b w s t t 则弥 补了这一不足。b w s t r 强调的是在真实的步行环境中进行步行各成分的综合性 训练，更注重实用性。偏瘫患者因患侧肢体不能足够负重而更多依赖健侧肢体负 重，表现为患侧单肢支撑期明显缩短，而双侧肢体支撑期显著延长，影响了步行 2 上海大学硕士学位论文 中动能和位能的转换，使步态变得间断而不平滑，增加了能量消耗和摔倒的危险。 而在b w s t r 中，减重可使重心更快由健肢移向患肢，健肢更早开始摆动而减少 预承重期；支撑末期对腓肠肌的牵拉可增加踝关节跖屈，提高地面的推进力，既 增加能量补给，又减少了摆动前期【1 2 】- 【1 3 】。且髋关节过度伸展也促进脊髓中枢模 式发生器从支撑相向摆动相的转换，从而纠正了步态的不对称性。而髋关节过伸 又可使髋屈肌拉紧，促进患侧抗重力肌的活动，提高负重能力，反过来又延长了 患侧单肢支撑期。步态对称性提高可减少能量消耗，增加安全性，扩大患者活动 范围，改善生活质量。 由此可见，在下肢康复训练中，减重和平衡起着非常重要的作用。也为减重 支撑系统的设计指明了方向：减重支撑的最终目的是为了提高步态训练的质量， 使得步态训练对称性提高；减重支撑系统要依循医学原理，减重步行训练越符合 人体运动的自然规律，则其训练效果越好；减重支撑系统本身的控制水平、精度 越高，则越有助于下肢康复。 1 2 3 医疗康复机器人产品市场 在产品市场上，减重支撑系统是以康复机器人的形式出现的，下肢康复机 器人通常包括步态运动机构、减重支撑机构以及控制系统组成，其中，由减重 机构及其控制部分构成的减重支撑系统是非常重要的组成部分。 当今，许多国家正在开发各种功能齐全、操作简便、安全性能高的下肢康 复机器人。而下肢康复机器人作为一种医疗康复机器人，也越来越多的受到产 业界的关注。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【1 4 】，仅预测日本未来机器人市场，2 0 0 5 年医疗、护理、康复机器 人的市场份额约为2 5 0 0 万美元，而到2 0 1 0 年将上升到1 0 5 0 0 万美元，其增长 率在机器人的所有应用领域中占据首位【1 5 】。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6 0 万中风幸存者，其中的2 0 万病人在中风后存在长期的运动障碍。 自主的运动康复训练已成为基本而有效的疗法，而形形色色的康复训练机 器人，以其经济的价格，简易的操作，适时的病情反馈与康复训练指导得到医 3 上海大学硕士学位论文 学专家和病人的肯定。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、 人机工程化康复机器人的需求。所以康复训练机器人广阔的市场前景将推动这 一新型的技术得到更多重视与推广。 由于现有的国外产品减重步行训练系统售价过高，一般高达数十万美元， 国内患者很难承担起费用，而且大多产品还不能完全适应医学上的康复训练要 求，为此开发我国独立知识产权的步行训练机器人将能够为我国患者接受较低 成本的治疗成为可能。并且，通过对于步行训练机器人的研究将对研究外增强 人体肌肉的自动化机械产生积极效应【】。 1 3 国内外研究概况 随着各种下肢康复设备的出现，减重步行训练时如何卸去患者的自重并保 持患者身体平衡必然成为需要解决的问题。 减重支撑系统主要有两个功能： ( 1 ) 在康复训练过程中，能保持减重量恒定。 ( 2 ) 能够随着患者步行功能的恢复而调整减重量。 下肢康复机器人是一个复杂的自动控制系统，作为其中重要的组成部分一 一减重支撑系统，也逐渐在向主动控制发展，其驱动方式也呈现了多样化的趋 势无论驱动形式如何，减重支撑系统是为康复训练服务的，必须以医学理论 为依据，帮助患者进行科学而有效的康复训练，可以使患者的运动机能得到更 好的恢复。 1 3 1 德国：s t r 矾g m 匕悄 德国弗朗霍费尔研究所( f r a n h o f f ri n s t i t u ti p k ) 研制出了有绳驱动 的康复机器人s t r i n g m a n t l 6 1 ，见图1 1 。 4 r 海太学硕l $ 位镕文 图11s t r i n g m a n 病人身穿背带，背带上有数根绳索固定在病人身体不同部位上。通过控制 每根绳子上的受力来调整减重量，并可以在各个方位调整人的姿态。训练时， 病人在跑步机上，由于受到跑步机皮带的牵引会产生移动。病人足底安装有压 力传感器，控制器通过病人足底的压力束调整各根绳索的掌力以保持病人姿态 和重心。 绳驱动减重支撑系统的优点足能在六个自由度方向上调整病人的位置姿 态，以满足不同步态和训练程序的需要【驯。另外，绳牵引并联机构可以量化 病人的主观努力( 通过腿部的力传感器来检测病人的主动肌肉运动) ，具有根好 的人机互动性能。但其运动学及动力学模型相当复杂，不易实现控制。 1 3 2 瑞士：l o k o m a t 康复机器人l o k o m a t 由苏黎世b a l g r i s t 大学医院脊椎损伤康复中心研发。 它能够给下肢运动型损伤及脊椎损伤的病人做自动的步行训练。l o k o m a t 具 有两个步行纠正机械装胃可以安装在病人双腿的外侧每一个步行纠正机械装 置有一个髋关节驱动器和一个膝关节驱动器，每个关节e 装备有位置补偿传感 器和力传感器用来测量关节角和关竹轨迹。训练时，病人的双腿可以按照事先 t 海 学碰十学位论史 设定好的步志轨迹来进行引导行走2 1 i 吲。 圈12l o k o m a t 区别于s t r i n g m a n 的多自由度l 减重支撑系统，l o k o m a t 采用单自由 度( 垂直方向可调) 减重支撑田j 。在其早期产品中累剧配重块重力作为减重支 撑力，其优点是结构简单，减重量可调，控制较为容易实现。其缺陷是配重块 在训练过程中由于上下运动而产生惯性冲击，不能保持支撑力在步态训练中保 持恒定。 在其后续产品中，减重支撑机构采用了由电机驱动丝杠带动弹簧。训练丌 始前，减重机构通过绳索与病人身上的背带相连，两根丝杠将弹簧拉伸使得弹 簧的扣力与所需减重量相匹配。训练开始后，两个电机进行实时运行，以保证 弹簧随着人体重心的七f 运动而相应移动，从而使减重量保持恒定不变。此机 构的特点是消除了配晕块的惯性冲击，配重量能保持恒定，误差大大减小，响 应快，减重范围可达8 0 k g 。但其动力学模型仍较为复杂，使得控制难度较大。 1 3 3 意大利；w a r d 由意大利罗马“l as a d l e 皿a ”人学研究了一种步行辅助康复设备w a r d f w a l k i n g a s s i s t a n c ea n d r e h a b i l i t a t i o n d e v i c e ) 。其步行训练是由跑步机带动的被 动训练，原理与s t r i n g 一姐n 相似。在其减鼋支撑系统中，支撑力由气缸内气压推 上海大学硕士学位论文 动活塞产生，活塞的端部为一个定滑轮，滑轮上的钢丝绳联接至病人身上的背带。 气缸的活塞杆端部安装有安全停止机构，一旦活塞杆受拉，气缸便充气推动活塞 以保证支撑力保持不变。在训练过程中，减重支撑机构安装在小车内，能随着病 人位置的变化而相应移动。 虱l 、c a r t t r a i c k 、 l l l o a dc e l l c y l i n d e rt r a c k p n e u m a t i cc o m p o n e n t s a n dc o n t r o lc i r c u i t r yb o x h a m e s s 图1 3w a r d 州 由于此减重支撑机构采用了横向安装，消除了惯性冲击，其动力学模型较为 简单，控制也较为容易实现。在训练前，通过调节气缸活塞可以选择不同的减重 量。但是，在减重步行训练过程中，此机构并不能实时调整减重量。因此，没有 从根本上提高减重量的精度。 1 1 3 4 国内 目前，国内的清华大学、哈尔滨工程大学、浙江大学已经在进行下肢康复 机器人的研究，但其减重支撑部分还停留在传统的固定配重块的减重形式上。 以浙江大学为例，其研究的外骨格式下肢康复机器人样机( 见图1 4 ) ，在 其减重支撑机构还停留在完全减重模式上。训练时，病人身上的背带直接悬挂 在刚性支架上，通过外骨骼矫形器来进行步态训练。 可以说，国内还未有关于自主控制的减重支撑系统的研究，急需填补这一 空白。 7 j i 搿学1 位论女 图1 4 浙江大学研制的f 肢康复机器人2 1 4 现有下肢康复机器人减重支撑系统的不足 以上论述了各类减重支撑系统的国内外发展状况。他们的发展给老年人和 下肢残疾的患者的生活带来了极大的便利，但是他们仍具有局限性。 从整体技术水平来看，国外康复机器人的研究时间较早，种类齐全，操作 简易适时的病情反馈与康复训练指导得到医学专家和病人的肯定。但国外康 复机器人的售价很高，以l o k o m a t 为例，虽新版的l o k o m a tp r o 下肢康复 机器人的售价就高达3 0 0 万人民币这让报多医院和患者望而生叹。 就减重支撑系统而言，传统的配重块模式的b w s 系统调节减重量需要不同 重量的配重块因而消耗操作员大量的体力并且很难实现连续增减减重量。此外 在训练过程中减重块和人一起运动，受到惯性冲击的影响，造成其波动较大， 相关文献”1 显示：在减重6 0 k g 、步行速度3 2 k m h 时，其平均误差与最大误差 分别为53 4 k g 和1 62 2 k g 。无法满足平顺的步行训练的要求。 而诸如l o k o l i f t 形式的b w s 系统，其控制系统极其复杂，不易实现。 目前用于下肢康复机器人的减重支撑产品在国内停留在简单的完全减重或 配重块形式。为了降低装嚣的复杂性，增强装置可靠性、普及性，弥补国内外 上海大学硕士学位论文 骨骼式下肢康复机器人的空白，本研究小组正在研发步行康复机器人。这个系 统包括跑步机，减重支撑系统，与患者腿相连的外骨骼式步态矫形器和控制平 台。训练期间，该系统将患者身体部分悬吊，这样能使患者步行时下肢的负重 减少，同时也能维持身体平衡。在预先设定的步态模式下，步态矫形器能引导 患者腿部运动。治疗师可以根据患者的情况，调整运动，速度强度等一些参数 来获得最优康复训练。 1 5 课题技术指标 本文研究的下肢康复机器人减重支撑系统是为老年人和下肢残疾人提供康 复训练作用。根据帮助对象的具体情况，提出了如下技术指标： ( 1 ) 减重支撑系统的支架需要能够适应不同身高的患者进行康复训练。按 照国家统计局的最新调查，中国成年男子的平均身高约为1 7 0 m ，成年女子的 平均身高为1 6 0 m 。考虑到本文主要进行实验样机的开发，受实验室场地空间 的限制，所以只考虑普通身高作为设计参考。因此，本文设计的减重支撑系统 主要适合的人群的身高范围为1 6 m 1 8 m 。 ( 2 ) 在步行训练时，患者是穿戴着下肢矫形器进行训练的。为了避免下肢 矫形器的重量施加在患者身上，减重支撑系统的支撑平衡机构需要能够平衡下 肢矫形器的重量，并且在上下方向能够随着下肢矫形器的运动而运动。 ( 3 ) 减重支撑系统必须能够完全卸载患者的自重并且能自动调整减重量的 大小。据第五次人口普查的数据显示，中国成年男子的平均体重不超过8 0 k g ， 成年女子的平均体重不超过6 0 k g 。根据以上数据，减重支撑系统的额定载荷为 8 0 k g ，承重极限规定为1 5 0 k g ，并能实现o , 、, 1 5 0 k g 内任意重量的自动调节。 ( 4 ) 能在步行训练时保持减重量的恒定是评价减重支撑系统优劣的一个重 要指标。为了保证步行训练时减重量的恒定，实验样机在闭环控制下，减重量 的相对误差应不大于l ，系统的动态响应时间应小于o 1 s 。 9 上海大学硕士学位论文 1 6 论文的主要研究内容 本论文以作者攻读硕士学位期间承担课题的工作为基础，主要研究内容包 括基础性的理论分析和探索性的设计。下面是本课题的具体研究内容g ( 1 ) 根据人体平地步行时的步态，分析人体在平地步行时不同步速、不同 步幅下的重心运动规律，为减重支撑系统提供机构参数和控制参数。 ( 2 ) 完成对减重支撑系统的机构设计：根据承重范围、运行速度、行程以 及其他系统要求选择合适的驱动方式；机械本体结构的实现，包括外围支架、 减重机构、支撑平衡机构、吊带以及其他部件的机械结构设计。 ( 3 ) 完成患者在减重支撑下步行训练的动力学分析，分析采用转矩控制方 式下系统的输出特性，通过软件进行仿真分析。以证明方案的可行性。 ( 4 ) 对实验样机进行实验，测试系统输出特性，检验其是否符合设计要求。 l o 上海大学硕士学位论文 2 1 引言 第二章减重支撑系统方案设计 自主控制的减重支撑系统不仅是机械、电子、检测、控制和计算机技术的 综合应用【2 引，更是自动化机械系统在医疗康复中的应用，其设计受到了下肢康 复机理的限制。需要分析人类行走时的重心运动规律，为机构设计提供理论依 据，然后再从康复机器人对减重机构的要求着手来选择合适的减重支撑方式。 2 2 步行时人体重心运动轨迹的探究 行走是人体日常生活中重复最多的一种整体性运动。直立行走的这种整体运 动是人类长期进化的结果。随着现代测量技术的发展，使得对人类行走时身体各 部分进行动态数量化分析成为可能，这项工作定名为步态分析。步态分析对人体 运动系统和神经系统疾病的病因分析和诊断、疗效评定，病人的行走功能重建等 均有重要意义，在人类学、体育学和宇航学等领域也具有特殊的价值。 2 2 1 步行时人体重心运动规律 在步态分析中，研究人体重心运动的规律对于进行下肢康复有着重要意义。 由于大部分行走有障碍者不能正常控制重心移动，作为一种协助患者恢复行走能 力的康复器械，减重支撑是非常必要的。由于患者的脚所能承受的重量比正常人 的要小，因此希望下肢康复机器人还能够自动平衡人的一部分重力。在本课题中， 研究步行训练中人体重心运动规律还将为系统设计提供机构参数和控制参数。 正常人在行走过程中重心的轨迹应该是一条三维的曲线，它既有上下方向的 位移，又有左右方向的位移，同时伴随着人的向前运动，它还有向前的位移。由 于康复机器人只是模拟人的行走，与人的真正走路还有所差别，其最大的不同就 e 海太学顿十学论女 在于，人在康复机器人上的“行走”是种没有向前位移的行走也就是说，人 的重心可以认为是在上下一维坐标系中变化。在本课题研究中主要研究人体重 心在上下一维方向的运动规律。 2 2 2 步行时人体重心运动轨迹的捕捉 为了捕捉步行时人体重心在竖直方向上的运动轨迹，采用o p t o t r a k 三维 运动捕捉系统来实时采集人体重心运动轨迹。 o p l d m k 三维运动捕捉系统具有以下特点2 q ： 1 ) 可实现三维六维自由度测量； 2 ) 数据采集精度高f 0i m m r m s ) ，分辨率00 1 m m ； 3 ) 可以实现数据实时采集和显示，最大采样频率可达4 6 0 0 h z ； 凹 = = l 型 图21 人体重心轨琏采集实验原理图 重心轨迹采集实验原理图见图2 1 ，整个运动捕捉系统由控制单元、位置传 感器、标志点以及标志点转换器构成通过计算机及操作软件可以操作控制单兀。 实验过程中，被测试者在跑步机上行走，将标志点贴于其背部骨盆中心位置作为 身体重心。当被测试者按照一定的速度在跑步机e 行走时，通过位置传感器来实 时测量其轨迹。 根据下肢康复机器人的技术要求，步行训练能够达到的最大速度为32 k r r d h ， ! | 毯一 * 倾十学论z 适合的患者身高为16 m 至18 m 。故将跑步机速度调至32 k n m l ，分别选取16 m 、 18 m 身高的测试肯在跑步机上进行行走，以1 0 0 h z 的频率采集标志点的轨迹，每 次采集时间为1 0 s 。 图22 标志点实叫轨迹数据 由于系统采集的是三射六自由度的数据( 见图22 ) 而实验的目的只需要呸 直方向即z 方向的数据，所以截取z 方向一组数据即可。 相关研究表明，人体步行时重心上线运动轨迹近似一个正弦曲线与一个在有 限范围内上下波动的非周期性误差曲线的叠1 0 a t ” 。图23 、2 4 分别为两种身高的 重一t x , 轨迹图，可咀看h 两组曲线均符台这样的规律。考虑到误差辛要是由于受试 者产生小规j i 【_ j 步态造成，如步幅的不均衡以及在跑步机上左右或前后的窜动等。 所以将曲线按照轨怂周期分割后叠加耿平均值，再进行正弦拟台。 上海大学硕士学位论文 图2 31 6 m 身高组重心轨迹数据 图2 41 8 m 身高组重心轨迹数据 处理后的重心轨迹曲线见图2 5 、2 6 ，通过比较分割平均后的曲线和拟合曲 线可以发现，步行时人体重心竖直方向上的轨迹非常近似于正弦曲线。 1 4 上海大学硕士学位论文 图2 5 处理后1 6 m 身高组重心轨迹数据 图2 6 处理后1 8 m 身高组重心轨迹数据 1 5 上海大学硕士学位论文 2 2 3 实验结论 经过多组数据采集后发现，不同测试者的重心轨迹会因为其步幅、步频的不 同而有所区别，但是均符合上述规律。此外，重心上下偏移的幅度均在+ 5 0 r a m 以内 由此，就可以在后续的机构设计中，提供系统的机构参数：考虑到重心轨迹 还会作为控制系统的输入参数，实验结果也预先论证了这一输入参数的类型和特 性。 2 3 驱动方式选择 纵观国内外的主动减重支撑系统，多是以绳索来牵引患者实现减重支撑的 目的。绳牵引的主要优点为： ( 1 ) 绳牵引比较适合用于人体，考虑到人体自身的构造以及安全因素，不 能采用刚性的牵引方式，绳牵引就成了一种很好的选择。 ( 2 ) 患者在步行训练时，身体重心除了上下移动外，左右也有一定的运动。 绳牵引可以允许这样一种运动的存在而不必增加一个驱动环节。 ( 3 ) 通过绳子长度的变化较为容易实现人体重心上下位置的控制，绳子本 省柔软的特性也便于将其它方式的运动转换为直线运动。 因而，本课题采用绳牵引的方式来实现减重支撑。而在驱动方式上，各种减 重支撑系统的驱动器选择气动、液动，也可选用由电机带动丝杠驱动弹簧来实现。 气缸驱动元件可以输出直线运动，通过活塞杆将输出的力传递给绳索从而控 制支撑力的大小。其特点是响应快，但精度不高【3 1 1 。由于病人在进行步态训练过 程中，汽缸活塞杆需要一直进行上下活动以跟随人体重心的移动，这就需要气阀 一直处于打开状态，而这对于气缸驱动来说是较难实现的。 液压驱动元件也是通过活塞杆将液压转换成支撑力，其响应速度相对气缸较 低，但是精度较高【3 2 1 。并可以通过数字阀来实现活塞杆的实时移动【3 射，但是其 成本较高，附加系统较为庞大，对环境有污染。 电机驱动方式是将电机的输出轴通过联轴器与丝杠相联，丝杠螺母与弹簧固 1 6 上海大学硕士学位论文 联，这样就可以将旋转运动转换成直线运动来控制弹簧的长度。其响应较快，精 度高【3 4 】，成本相对液压驱动较低。 综上所述，鉴于电机驱动的许多优点，选用电机驱动方式来实现对减重支 撑系统的驱动。 2 4 机构设计 图2 2 减重支撑系统机构图 减重支撑系统的机构图见图2 2 。主要由减重机构、支撑平衡机构、跑步机、 1 7 上海大学硕士学位论文 支架构成，减重机构、支撑平衡机构、跑步机都与支架固接，以保证在工作时 各机构的相对位置不发生相对运动。患者在跑步机上进行减重步行训练，通过 减重机构来卸载其下肢无法支撑的自身重力，其重心可以在竖直方向运动，而 其水平方向上需要支撑平衡机构来进行平衡。 减重机构的工作原理如下： 患者在进行步行训练前，首先在理疗师或操作人员的帮助下穿上吊带背心， 并将背心上的吊带与动滑轮相连，操作人员通过绞盘将患者吊起上升到相应高 度，然后通过电机带动丝杠伸缩绳索来改变减重力，直至力传感器的输出值达 到设定值。随后，患者就可以在跑步机上进行步行训练。训练过程中，人体重 心的变化会改变绳索的长度，所以必须依据人体重心位置实时控制电机保持绳 索上的张力。由于患者是根据矫形器指定的步态进行步行训练的，所以其身体 重心位置也是精确可知的。根据每个时刻患者身体重心位置来计算相应的输入 力转换成转矩给电机驱动器，电机驱动器再控制电机输出相应的力矩来维持减 重力的恒定。而力传感器则实时输出实际的减重力，将误差传入控制器就可以 进行闭环控制。 支撑平衡机构的工作原理如下： 步行训练时，患者所穿戴的下肢矫形器与支撑平衡机构的梯形丝杠副相连 接，通过丝杠下端的摇柄来调整连接点的高度以适应不同身高的患者。患者两 侧各有一副平行四边形机构，二者连接在同一块板上，以保证整个机构能跟随 患者重心的运动而运动，同时限制患者身体左右摆动。平行四边形机构下端的 气弹簧能支撑起支撑平衡机构和矫形器的重量，避免给患者下肢施加额外的负 载。此外，患者双手可以握住两侧的平衡杆以保证上半身的平衡。 2 5 本章小结 大量的临床结果已经证实了减重步行训练是一种有效的下肢康复方式，而 步态分析是进行减重步行训练的一个必要准备。通过研究人体步行时重心的运 动规律，能够为减重支撑系的设计提供理论依据，而对重心运动轨迹的进一步 1 8 上海大学硕士学位论文 研究能为系统提供机构参数和控制参数。 通过分析和比较国内外各种减重支撑系统，最终提出使用绳牵引与电机驱 动方式来实现减重支撑，并确定了机构方案以及工作方式。 1 9 上海大学硕士学位论文 30 1 引言 第三章减重支撑系统结构设计 机械结构的设计是减重支撑系统开发过程中的第一步，也是极其重要的一 步，机械结构设计的好坏将直接影响到整个系统最终功能实现的程度。减重支 撑系统机构设计包括：减重机构的设计和驱动、平衡支撑机构的设计以及外围 支架的设计。 本章节主要任务是进行减重支撑系统机械结构的设计，首先在上一章节对 人类步行原理的基础上进一步分析步行训练时人体重心的运动轨迹及运动范 围，为减重机构提供机构参数。然后根据减重支撑系统工作环境、负载情况等 因素选择合适的驱动方式。然后进行平衡支撑机构以及外围支架的机械结构设 计。 3 2 总体结构 整个下肢康复机器人( 见图3 1 ) 在结构上可分为减重支撑部分和外骨骼式 下肢矫形器部分。 在减重支撑部分的结构设计上，依据2 4 中的机构功能，分别设计各个部 分的结构。 在设计过程中，首先设计支架，其它各部分都需安装在支架上，所以必须 考虑支架的可容纳空间以及后期装配时修改的简易性。 减重机构安装于支架的顶部，使得整个系统更加紧凑。机构输出端为钢丝 绳，钢丝绳的另一端为手动操作的绞盘。钢丝绳经由滑轮组与力传感器相连， 通过吊带将患者悬吊起，并通过电机来控制钢丝绳张力的大小( 工作原理已在 2 4 中介绍) 。 e 海 学i 位论 支掉平衡机构位于患者的后侧，通过铰链与支架相连。支撑平衡机构上有 两副梯形丝杠副( 将在35 巾详细介绍) 安装患者不同的身高、体宽来调整矫 彤器的位置。 力传 鑫器 f 6 带 盘捧， 新机楦 3 3 支架设计 图31 下肢康复机器人设计圈 钳丝绳 支架措载整个下肢康复机器人系统，需要宵足够的强度、刚度，并且便于 患者就位；同时，考虑到整个实物系统还是个实验样机，所以支架在满足强 度剐度的同时尽可能地轻便、便于修改。 * 学学位论i 在比较了市场上现有的各种材料后，晟终选择铝型材来搭建支架。铝型村 具有以下优点：品种多、规格全，适合组装各种流水线的框架和自动化设备的 基架：重量轻、刚性好、机械性能高、承受力大；表面质量好，无挤压痕迹， 美观大方；尺、r 公差、形位公差要求严、能保证组装高精度框架的要求；表面 经阳极化处理，防腐蚀，无须喷涂，美观大方：组装工作快捷，生产率高：调 整尺寸、更改结构简单方便。在后续其它结构的设计上也采用了大量铝型材， 减少了设计量和加工量。 支架整体结构( 见图32 ) 与跑步机固接，在跑步机后端有一扇门框，门框 上需安装支撑平衡机构，并且门框能开启闭合，以方便患者的进出。由于实验 场地的限制，支架能容纳患者的身高限制在1 8 米以下。 图3 2 支架设计圉 在整个支架中，受力最大的为顶上的横梁，在步行训练时，需对横梁作应 上海大学硕士学位论文 力分析，以判断其在最大载荷下是否会失效。横梁选择截面4 5 x 4 5 m m 的铝型 材，其截面的支撑方式见图3 3 ： u 2 一 一日f 嘣 量 一一一一一j j 一一一一 一 l 一 图3 3 横梁支撑方式 依据产品技术数据，其弯曲应力q ( n m 3 ) 的计算公式为： d ：! ! 兰墨兰墨盆! 兰 一8 z 1 0 其变形量6 ( m m ) 的计算公式为： 万：型二_ 3 8 4 e 1 0 其中： 横梁材质为6 0 6 3 t 5 ，最大允许弯曲应力q m a x 为2 0 0 n m 3 m ：横梁的线性密度( k g m m ) ，为0 0 0 1 6 5 k g m m k ：横梁的最大载荷( n ) ，为1 5 0 0 n l ：横梁的无支撑长度( 咖) ，为1 1 6 6 m m e ：横梁的弹性模量( n m m 2 ) ，为7 0 0 0 0n m m 2 i ：集合惯量( c i r l 4 ) ，为1 5 1 2c i d 4 z ：截面惯量( c m 3 ) ，为6 5 2c i i l 3 将上述各项参数的数值分别代入式( 3 - 1 ) 、( 3 - 2 ) ，可得： q：(0000165981166+1500)x1166：33953册3q弧8 ，= 一= v 1 ，v ，蛆。( 1 ， x652lo 。一 万= 竺业坠型= ：7 3 5 4 1 0 一m 肌仃= = xm m 3 8 4 7 0 0 0 0 1 5 1 2 1 0 可见，横梁的设计满足刚度、强度要求。 ( 3 - 1 ) ( 3 - 2 ) e 海大学碗学位论文 铝型村之间的连接可以通过连接块使用六角螺母、螺钉。装配简单，修改 方便。在门框的设计上，门框两侧各用两副铰链与支架相连。铰链的连接采用 活动销轴( 见图34 ) ，只要将门框一侧的两副铰链的销轴取出，就能开启门框， 患者就可以在操作人员的帮助下从跑步机后端踏e 跑步机。 圉3 4 铝型材之间的连接方式 为了防止步行训练时跑步机的震动导致跑步机与支架相对位置发生变化从 而影响训练，支架需与跑步机固接。可以通过修改跑步机底部四个轮子的连接 结构柬实现。修改方式见图3 5 。 图35 支架与跑步机的连接方式 海大学颂士 位论文 3 4 减重机构的结构设计 减重机构是整个减重支撑系统中最核心的部分，其结构设计的优劣，直接 影响到整个减重支撑系统的机械性能。 3 4 1 机械结构 减重机构机械结构( 如图3 6 ) 由驱动、传动、配重三部分构成。 3 6 减重机构设计图 工作时。电机通过联轴器带动丝杠，丝杠螵母与连接板固接，连接板上的 孔用于连接钢丝绳从而将旋转运动转换为直线运动。气弹簧起到配重的作用， 当电机做负功( 人带动电机运行) 时，电机会产生负性负载这部分能量可以 由气弹簧储存起来，其余部分由连接在电机驱动器上的再生电阻以发热的形式 散发。 丝杠选择滚珠丝杠。滚珠丝杠因其具有精度高、能实现微进给、刚性好、 能实现高速进给等特点，便于实现精确的减重控制。一个18 0 米的成年男子在 以3 2 m s 步行( 下肢康复机器人的最大训练速度) ，根据2 23 中的结论，步行 时人身体重心在竖直方向上的起伏在+ 5 0 r a m 以内，经过动滑轮后行程加倍， 所以滚珠丝杠的行程选择2 0 0 m m ，直径选择2 0 m m ，导程为l o m m 。滚珠丝杠 的两侧采用导向轴以保证传动方向的精确性。 上海大学硕士学位论文 普通身材的中国人体重一般在8 0 k g 以下，通过动滑轮经钢丝绳传递给丝杠 螺母为4 0 k g 。参照升降机配重块的选取规则，配重块的重量一般为升降机额定 负载的一半，所以气弹簧的标称力选择2 0 k g 。行程滚珠丝杠的行程加上丝杠螺 母的宽度，为2 6 0 m m 。 联轴器采用膜片式夹持型联轴器。 3 4 2 电机选择 常用的驱动电机有交流伺服电机，直流电机和步迸电机。由于交流伺服电 机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。交流伺服电机还具有较 强的过载能力可以弥补一般步进电机过载能力的缺点，同时交流伺服系统的加 速性能较好也是在交变式的人体下肢步态中所需要的重要性能。根据实际情况， 在减重机构中电机选择中采用交流伺服电机。 减重机构的最大负载为1 5 0 k g ，人体重心竖直方向上的最大运动速度为 0 4 m s ，则电机的功率为： 尸衄= x i t = 1 5 0 0 x9 8 0 4 0 8 = 7 3 5 w 电机