（机械电子工程专业论文）步态训练机器人结构设计及实验研究.pdf

哈尔滨t 程大学硕十学何论文 摘要 机器人技术是当代科学技术中发展最为活跃的领域之一，也是一个国家 科技水平的体现；将机器人辅助治疗技术弓f 入到康复训练中已经逐渐得到 国内外研究人员的重视，并发展成为热门课题之一。本文所涉及的步态训练 机器人旨在达到康复与健身的双重目的。 本文依据国内外下肢康复训练机器人的发展状况及应用对象和人体步态 康复理论，确定了机器人系统的设计目标和总体方案，并建立了机器人单侧 机构的系统模型，进行了仿真分析和基于机器人样机的实验研究，主要内容 如下： 本文首先分析了下肢康复机器人技术的国内外发展现状和应用情况，结 合人体步态康复理论提出了以一种6 自由度机器人系统为结构方案；具体设 计了机器入样机，包括机器人作业空间分析与关键参数的确定；对机器人单 侧机构进行了运动学分析，推导出了正、逆运动学方程并验证了其正确性； 搭建了基于m a t l a b s i m m e c h a n i c s 的机器人总体运动学模型，通过仿真分 析验证机器人设计的正确性与合理性。 然后完成了对机器人零部件的质量与惯量的测量和估算；推导了组成机 器人的驱动机构的数学模型；以m a t l a b 软件中的s i m u l i n k 和m 函数为平 台，应用联立约束法建立了机器人单侧机构动力学模型并验证了模型的正确 性；设置各项参数完成对跟踪给定轨迹的动力学控制仿真，得到在跟踪过程 中所需的动力与速度参数。 最后利用d s p a c e 实时仿真平台进行了半实物仿真实验研究，基于 m a t a l a b s i m u l i n k 和d s p a c er t i l1 0 3 并在c o n t r o l d e s k 操作界面上编写程 序，完成对机器人实际工作空间的测量，结合理论分析，证实实际工作空间 满足机器人的设计要求；完成机器人承载能力实验，实验表明：所设计的机 器人具有足够的承载能力与快速的响应特性，并具备安全、稳定的特性。 关键词：步态训练机器人；仿真：运动学：动力学；实验研究 哈尔滨t 稃大学硕十学位论文 a b s t r a c t r o b o t i c sh a sb e c o m i n go n eo ft h em o s ta c t i v e7 f i e l d si nt h em o d e ms c i e n t i f i c t e c h n o l o g y i ti st h ee m b o d i m e n to fn a t i o n s s c i e n c ea n dt e c h n o l o g yl e v e l t h e t h e m p yt e c h n o l o g yo fh e m i p l e g i a r e h a b i l i t a t i o na i d e d b yr o b o th 拶g r a d u a l l y a c q u i r e dt h er e c o g n i t i o no ft h en a t i v ea n da b r o a dr e s e a r c h e r s ，a n di ti sb e c o m i n g o n eo ft h eh o t t e s ts u b j e c t s t h eg a i tt r a i n i n gr o b o tm e n t i o n e di nt h ed i s s e r t a t i o n 谢md o u b l e a i mo fr e h a b i l i t a t i o na n df i t n e s s a c c o r d i n gt ot h ea p p l i c a t i o no b j e c t sa n dh e m i p l e g i ar e h a b i l i t a t i o nt h e o r y , i t w a sc o n f i r m e dt h ed e s i g na i ma n dt h es y s t e ms c h e m e t h es y s t e mm o d e lw a s e s t a b l i s h e da n dt h es i m u l a t i o no ft h er o b o tw a sc a r r i e do u ta sw e l la se x p e r i m e n t r e s e a r c h t h em a i nc o n t e n t si nt h i sd i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o w s ： 田1 ep a p e ra tf i r s ts y s t e m a t i c a l l ya n a l y s e st h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o n s i t u a t i o no fr e h a b i l i t a t i v er o b o t ，a n dp u t sf o r w a r dt h eo v e r a l ls t r u c t u r es c h e m ef o r a6d o fr o b o tm e c h a n i s m ，a n dp r o t o t y p eo fr o b o tw a sd e s i g n e dc o r r e s p o n d i n g l y i n c l u d i n ga n a l y z e dw o r k i n gs p a c eo fr o b o t ，a n dt h ei m p o r t a n tp a r a m e t e r sf o rr o d l e n g t h b a s e do nt h em o v e m e n tp a r a m e t e r so ft h ev a r i o u sj o i n t so fr o b o t ，t h e s o l u t i o n so ft h er o b o t k i n e m a t i c sa n di n v e r s ek i n e m a t i c se q u a t i o nw e r es e tu p ， a n dt h ec o r r e c t n e s sw a sc o n f i r m e d b a s e do nm a t l a b s i m m e c h a n i c st o o l b o x ， t h ew h o l ek i n e m a t i c sm o d e lo fr o b o tw a se s t a b l i s h e d t h ep a p e rc a r r i e do u tt h e k i n e m a t i c sa n a l y s i sa n dm o d e l i n go ft h er o b o t ，砀es i m u l a t i o no ft h em o v e m e n t f o rt h er o b o tv e r i f i e st h ef e a s i b i l i t ya n dc o r r e c t n e s so ft h ek i n e m a t i c sm o d e l e s t a b l i s h e di nt h ep a p e r t h e n ，t h em a s sa n di n e r t i ao fp a r t sf o rr o b o ts h o u l db em e a s u r e da n da d d e d t oa c c o r d i n gm o d u l e ；b a s e do ns i m u l i n ka n dm f u n c t i o n , t h ed y n a m i c sm o d u l e f o rs i n g l es i d eo fr o b o tw a se s t a b l i s h e dw i t hs i m u l t a n e o u sc o n s t r a i n tm e t h o d ，a n d t h ec o r r e c t n e s sw a sc o n f i r m e d a f t e rt h es e t t i n go fa l ls i m u l a t i o np a r a m e t e r s ，t h e s i m u l a t i o nw a sc a r r i e do u t ，t h er e s u l to ft h em o t i o n a n dd y n a m i cd a t aw a s a c q u i r e dc o n v e n i e n t l y f i n a l l y , b a s e do nt h ed s p a c er e a l t i m ep l a t f o r m t h eh i ls i m u l a t i o nw a s d e s i g n e d b a s e do nm m l a b s i m u l i n ka n dd s p a c er t i l l0 3 ，t h em e a s u r i n g 哈尔滨下稃大学硕十学位论文 p r o g r a mw a sd e v e l o p e do nc o n t r o l d e s ko p e r a t i o ni n t e r f a c eo fd s p a c e r t i l10 3 h a r d w a r e i n t h e - l o o ps i m u l a t i o np l a t f o r m ，a n da c t u a lw o r k i n gs p a c ef o rr o b o tw a s m e a s u r e da c c o r d i n g l y a f t e rt h e o r e t i c a la n a l y s i s ，t h ea c t u a l w o r k i n gs p a c e s a t i s f i e sd e s i g nr e q u i r e m e n t so fr o b o t ，n l eb e a r i n gc a p a c i t ye x p e r i m e n tf o rr o b o t w a sf m i s h e d ，a n dr e s u l t ss h o w st h a tt h er o b o tw i t hh i g hb e a r i n gc a p a c i t ya n dg o o d r e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c s , a n dc a i lb eo p e r a t e ds t e a d i l ya n ds a f e l y , ：, k e y w o r d s ：g a i tt r a i n i n gr o b o t ；s i m u l a t i o n ；k i n e m a t i c s ；d y n a m i c s ；e x p e r i m e n t r e s e a r c h 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 声昵的法律结果由本人承担。 作者( 签字 日期： 乒e t 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( 口在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：矽7 年 导师( 签字) ：多长嗲鸸 e l 诹产多肜日 7 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 1 1 概述 第1 章绪论 机器人技术是一门综合学科，它包含了电子学、计算机科学、控制理论、 传感器技术、机械学、仿生学、人工智能等学科。它是机械学、电子技术及 计算机技术的有机结合，体现了机电一体化，是当今比较热门的综合学科。 我国的机器人专家从应用环境出发，将机器人分为两大类，即工业机器人和 特种机器人，特种机器人又分为康复机器人、水下机器人等多个分支。 我国对康复训练机器人的研究有着重要的意义，主要因为2 0 0 2 年，卫生 部、民政部、财政部、公安部、教育部、中国残联关于进一步加强残疾人 康复工作的意见提出：“到2 0 1 5 年，实现残疾人人人享有康复服务。”1 也 就是说，我国2 0 1 5 年残疾人康复事业的目标是将康复服务的覆盖面从目前的 1 0 提高到1 0 0 ，即服务到每一个残疾人。2 0 0 5 年，温家宝总理又做了“要 高度重视康复事业”的重要批示，这些都说明国家领导人对中国康复工程发展 给予了高度的重视。我国目前之所以对康复工程如此重视，主要是因为：中 国每年交通事故5 0 万起，因交通事故死亡人数均超过l o 万人，相当于一个 小型县，居世界第一。据统计数据表明，每5 分钟就有一人丧身车轮，每1 分钟都会有一人因为交通事故而伤残。每年因交通事故所造成的经济损失达 数百亿元嘲。 另外，在中国人口老龄化发展趋势预测研究报告中已明确指出：在 中国人口中老年人口规模巨大，2 0 0 4 年底，中国6 0 岁及以上老年人口为1 4 3 亿，2 0 1 4 年将达到2 亿，2 0 2 6 年将达到3 亿，2 0 3 7 年超过4 亿，2 0 5 1 年达 到最大值，之后一直维持在3 , - 一4 亿的规模。联合国预测，2 1 世纪上半叶， 中国一直是世界上老年人口最多的国家，占世界老年人口总量的五分之一。 2 1 世纪下半叶，中国也还是仅次于印度的第二老年人口大国。而且，中国老 龄化发展迅速，6 5 岁以上老年人占总人口的比例从7 提升到1 4 ，发达国 家大多用了4 5 年以上的时间，而中国只用2 7 年就可以完成这个历程，并且 将长时期保持很高的递增速度，属于老龄化速度最快国家之列p 1 。可见，我 国社会中残疾人和年老病残人士是一个相当大的群体。特别是一些有下肢残 疾，或那些因患有脑血栓、肌肉萎缩而造成的下肢不灵活的患者，甚至无下 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 肢的病人占有相当大比重。护理这部分人需要大量的人力、物力和财力，所 以解决病患的康复问题引起了社会的极大关注。 康复机器人作为机器人的一个重要分支，它的研究贯穿了康复医学、生 物力学、机械学、机械力学、电子学、材料学、计算机科学以及机器人学等 诸多领域，已经成为了国际机器人领域的一个研究热点。康复的含义是在受 创伤或得病后版复患者肢体或器官的正常的形状或功能时康复工程就是致力 于为患者提供此类辅助装置一。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p 1 。上述的患者和老年人都存在一定的运动 障碍，康复训练需要有人帮助才能进行，由于专业护理人员的缺乏和医疗费 用等问题，多数患者选择了在家里自行训练。由于训练方法不够科学和训练 量的不足，很多患者错过了最佳恢复时间，许多人因得不到有效的康复训练 而逐渐丧失了肢体的活动能力p 1 ，既给患者带来了许多痛苦，又给家人和社 会造成了很大的负担。康复机器人作为一种自动化康复医疗设备，它以医 学理论为依据，帮助患者进行科学而又有效的康复训练，可以使患者的运动 机能得到更好的恢复。康复机器人由计算机控制，并配有相应的传感器和安 全系统，康复训练在设定的程序下自动进行，可以自动评价康复训练效果， 根据病人的实际情况调节运动参数，实现最佳训练。康复机器人为那些受伤 残的、中风的和神经受损的患者提供训练平台，来帮助这些患者恢复肢体功 能，并且能在康复过程中监测患者的身体情况p 1 。因此，把康复机器人技术 作为国家的重点项目具有非常积极的意义。 1 2 下肢康复训练机器人研究现状 将先进的机器人技术引入到康复工程中的康复机器人，体现了康复医学 与机器人技术的完美结合，主要由美国与欧洲一些发达国家进行研制及临床 康复研究。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。该技术不仅可以满足不同患者的训练要求，对脑损伤患者进行安 全、高强度及任务相关性训练，而且可以制定出更为客观的康复评价指标， 对脑卒中急性期和慢性期的下肢运动功能障碍有良好的疗效，从而为更加深 入了解中枢神经康复规律提供了可能p 1 。在国外，很早就有关于康复机器人 的研究，在国内则起步较晚。 2 121 国外发展状况 早期的下肢康复训练器械是借助跑步机、悬吊系统等帮助患者进行康复 训练，详见图1l 、图1 2 。这类康复训练器械在康复训练过程中必须有专业 人员的帮助，还不能称作康复训练机器人，而只是一种半自动的康复训练器 械”一。因此，这类康复训练器械只能是康复训练机器人的早期阶段，随着科 技的进步和人类对人体生物信息的更深入地研究，随之出现的康复训练机器 人很快地将其取代。 ) 图1 1 悬挂式步行训练机图12 步行训练机 德国柏林自由大学很早就丌展了关于康复训练机器人的研究工作，成果 较多，典型的作品之一是在2 0 0 0 年研制成功的机械式康复训练器，如图13 所示。该康复训练器可以重复训练和校正患者的步态，并可以将医疗师从繁 重的辅助训练中解放出来，使他们能够专心于分析患者的康复数据。此康复 训练器的特征是：在一个步态循环过程中，支撑相( s t a n dp h a s e ) 指下肢接 触地面及承受重力的时削，约占整个步态周期的6 0 ；摆动相( s w i n gp h a s e ) 指足底离丌地面向前迈步到再次落地之间的时间，约占整个步忐周期的4 0 ， 并且可以在水平方向和竖直方向上对受训者的重心加以控制”，其机械原理 图如图14 所示。从机械原理图中可以看出，该康复器对人体脚踝姿态的调 节是通过个绕太阳轮旋转的行星轮柬实现的，其原理简单。在此机构中并 没有引进较为先进的伺服控制系统，因此，孩康复器只能完成按机械原理图 所要求的轨迹与姿态，对较为复杂的姿态模拟无能为力。所以该下肢康复器 也只能作为一种过渡性的下肢康复训练器材，很快被随之出现的更加智能的 训练机器人所取代。 瀚 图13 康复训练器图14 康复训练器机械原理图 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 t 口k ) 研制的绳驱动式 康复机器人，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， 在一定范围内得到很好的应用，康复机器人技术向静登上了一个崭新的台阶。 图l5 、图16 所示的是绳驱动下肢康复训练机器人”，该康复机器人的主要 特点是：受训者借助于类似跑步机的行走系统进行训练，受训者穿上特殊制 作韵衣服，驱动绳可以连接到衣服上的关键部位，如腰部、大腿部，通过控 制各驱动绳的张紧与松弛来控制受训者各部位在空间的位置与姿态和控制受 训者重心的位置来实现对人体的强制性的康复训练。将绳驱动技术引入到康 复训练机器人中主要是因为绳驱动技术有很多优点，除了有噪声低、清洁、 不需润滑、减震、易于安装和维护费用较低的优点外还有关于绳驱动的两个 显著特性：( 1 ) 驱动器可以安装在底座或靠近底座的地方，从而减小机器手 的体积和惯性；( 2 ) 绳在适当预紧后，没有传动间隙，可以提高系统的精确 度。在很多动力传动系统中，这些优点使绳传动比其它传动方式更加适合， 特别是对于把体积小和重量轻作为主要要求的灵巧手的设计中。与杆支撑并 联机构相比，绳牵引并联机构具有机构简单、平动工作空间大和运动速度快 等特点”1 。常规驱动的机器人是将驱动电机放置在关节处因此要求刚性 连杆具有较高的承载能力，这样就会使机器人的总重量增加，从而导致机器 人的带载能力下降。绳驱动是对传统机器人驱动方式的一种发展，近年来逐 渐得到研究人员的重视。但是由于绳驱动的单向性，它必须具有冗余力才能 实现力闭环，因此绳驱动机器人的控制也不同于一般机器人。 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 图1 5 绳驱动下肢康复机器人图16 绳驱动机构 美国c a i p 中心和r i v e r s 实验室在2 0 0 3 年研制一种专为中风患者的步 态康复训练平台，该训练平台是基于正常人的双脚踝关节的6 个自由度而研 制的，并有足够的承受人体载荷的能力，来帮助中风患者完成步态的康复”“。 在此步态康复系统中，引入了虚拟现实技术，可以在康复训练的过程中为受 训者提供虚拟的运动环境，如果康复系统模拟的是草地，则受训者的视野里 就会出现草地的场景，这种虚拟环境对患者大脑的刺激作为康复系统的配合 策略，对患者的康复非常有益。详见图1 7 、图1 8 。 图17 多自由度训练平台图18 草地虚拟现实环境 2 0 0 4 年，德国康复医疗有限公司康复研究所研制了一系列的康复训练器 械，典型的作品是身体平衡训练器，如图19 所示。该身体平衡训练机具有 ，船摩 眙尔滨工程大学硕士学何论文 两个自由度，其工作原理是：受训者站在基板上，膝关节处用柔软、韧性好 的支板支撑腹部也同样支撑，骨笳位置用皮带来配合使身体保持平衡，可 以实现径向运动和螺旋运动训练”。瑞士h o c o m a 公司和瑞士苏黎士联邦工 业大学( e t h ) 在腿部康复机构、步态分析方面取得了可喜的成果，l o k o m a t 康复机器人就是其中的典型，如图1 1 0 所示。该机器人可以模拟正常人行走 的步态以及重心的运动规律。带动下肢作行走运动，实现对下肢各关节的运 动训练。还能够对偏瘫患者进行步态康复校正训练，可以采集数据以实现步 念的分析”。电脑控制保证膝关节、髋关节运动和跑台速度同步。每个关节 的力量传感器精确测量受训者和l o k o m a t 之间的相互作用力。系统通过整 合在旋转门中的弹簧精确补偿l o k o m a t 重量，保证受训者体验生理性的垂 直移动。 一 图l9 身体平衡训练机图11 0l o k o m a t 康复机器人 韩国光州的人一机构- 计算机接口研究实验室于2 0 0 4 年把人机接口的研究 应用到下肢康复和步岙恢复训练中，并获得较好的效果。该l i ( 1 0 c o m o t i o n i n t e r f a c e ) 接口可以建立虚拟的场景，来减轻患者对真实环境训练所产生的恐 惧。在该虚拟的场景中，可以实现踏步训练，并通过可编程的脚踏板来实现 上、下楼梯的训练。在驱动连杆的旁边设有辅助平台受训者可以操作此辅 助平台移动，同时，起吊装置沿着驱动连杆的方向搭建，并且具备足够的强 度来提升整个人体的重量，保证受训者的人身安全。图11 1 为人机接口的原 理图；图11 2 为脚底部位安装磁力传感器，为防止磁性噪声对系统的影响， 驱动连杆和脚踏板用铝材料制作；图11 3 为该机构的应用图。在模拟人体步 _ 。譬尘鎏：；耋銮主譬老茎圭鎏圣 一 态轨迹和一般地理特征时要求传感器有足够的精度1 。 图11 2 脚踏板与力传感器图1 1 3 系统应用图 近年来，由德国弗朗霍费尔( f r a u n h o f e rm k ) 自动化机器人研究中心和 柏林慈善医科大学机构的h e n n i n gs c h m i d t 以及s t e f a nh e s s e 等人共同开发出 新一代下肢康复训练机器人g a i t t r a i n e r ( g t i ) ( 见图l1 4 ) ，脚踏板系统通过 行星轮系可以模仿正常人的行走以及摆动姿态。跨步长的调节范围为2 8 4 8 c m 。减重背心固定在患者的肩背部以及髋关节，通过悬吊于思者头上方的 驱动系统可以控制患者重心在垂直以及横向的运动。研究人员将多路功能电 刺激( f u n c t i o n a le l e c t r i c a ls t i m u l a t i o n ，f e s ) 应用于该系统中。通过f e s ， 哈尔滨下程大学硕十学忙论文 可以恢复神经肌肉的控制能力、防止患者摔倒以及避免肌肉疲劳等功效。 由于g a i tt r a i n e r ( g t1 1 只能模仿在平地上行走的姿态，凼而不能满足患 者对于同常生活中其它运动模式的需要。在g a i tt r a i n e r ( g ti ) 的基础i 一，研 究员们又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 。它可以带动忠者 的下肢进行平地行走以及上、下台阶等模拟训练。对恢复较快的病人还能提 供模拟蹬自行车和情雪的训练”“，如凰1 1 5 所示。 图11 4g a i ty r a i n e r ( g ti )吲1 】5h a p t i c w a l k e r 122 国内发展状况 我国的康复工程的研究虽然得到政府和科研机构的重视，但相对欧美和 门本等国起步较晚，因此，取得的成果相对也较少。康复器械的晟终目标是 恢复人体肌体组织的运动机能，实现肌体组织的自然化动作。基于此目标， 政领域的研究主要沿着两个方向：个方向是功能电刺激，另一个方向是肌 电信号( 人体肌肉收缩活动总是伴随着电位信号的产生，因此，可以认为， 肌肉信号是产生肌电信号的根源“) 控制。前者是利用电压或电流等电信号 刺激神经肌肉，使使失神经控制的肌肉产生收缩，达到康复治疗和功能重建 的目的；后者是利用分离的肌群电信号( 肌电信号) 控制康复器械，使其能够 具有与肢体相同的对外界刺激反应能力和对脑神经信号的识别和处理能力， 能模拟肢体动作，实现肢体的康复治疗。在功能电刺激系统的研究开发等方 面，由于电刺激参数与肌肉收缩力( 位移) 的关系( 即募集曲线) 这一重要的基 本理论问题还处在探索阶段，使得改系统的应用受到了很大的限制。相对而 言，肌电信号的采集处理已经有比较高的识别率( 单一动作的识别率可达n 9 5 以上”“) 。因而，大量的研究工作倾向f 肌电信号控制方面。日前，国内 在该领域进行研究的主要有清华大学、上海交通大学、复旦大学、哈尔滨工 哈尔滨工程人学硕士学位论文 业大学等1 ，而且清华大学率先开展神经康复辅助机器人的研究，并取得了 较好的临床训练效果1 。图11 6 为清华大学研制的基于肌电控制的主一被动 式肢体功能训练器和步态训练器。 图11 7 哈尔滨工程大学下肢康复训练机器人 为使完全性高位截瘫患者能从轮椅上站起来，实现自主行走，哈尔滨工 程大学在国家自然科学基金等的资助下，开展了下肢康复训练机器人的研究。 圈11 7 为下肢康复机器人，该机器人可以模拟正常人的行走步态，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。通过获取脚的受力姿态， 腿部的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，获得晟佳的训练效果。此 康复训练机器人在哈洽会上展出“。 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 由于康复机器人技术是集康复医学、生物力学、机械学、机械力学、材 料学、计算机图形学、计算机视觉、数学分析、机器人学等诸多学科为一体 的新型交叉研究领域“，所以，我国简易型康复训练器械的产品虽多，大都 还没有实现完全的智能化”“。如宝达华系列，采用自行车原理，与普通体育 训练器材的原理相同“，图1 1 8 为宝达华系列的下肢康复器。 图1 18 宝达华系列下肢康复器 1 3 课题的来源与目的 本课题来源于国家自然科学基金( 6 0 5 7 5 0 5 5 ) 项目。目的是设计开发出 一种步态训练机器人，能够在控制系统和一些传感器的配合下实现帮助受训 者模拟一些常见的路况和步态轨迹，如正常平地行走、上楼梯、下楼梯和踏 步运动轨迹：在起吊装置和脚底力传感器的辅助下可以实现对海滩、草地等 柔性地面的模拟，并且可以为虚拟现实引入康复系统提供基础。受训者可以 在此机器人的帮助下恢复健康和达到强壮身体的目的。 14 本文主要研究工作 本课题的研究对象是步态训练机器人，主要完成对步态训练机器人机械 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 ) 根据人体步态理论，分析步态训练机器人的工作原理，并进行步态 训练机器人运动学分析，验证其运动学数学表达式的正确性。建立基于 m a t l a b s i m m e c h m a i c s 的机器人和人体的运动学模型。 ( 2 ) 分析步态训练机器人的工作空间，确定步态训练机器人各杆件的结 ，趱黼矿 夥 纛 l 互r 一_ 荽 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 构参数，对作业空i 、日j 的- l e 确性进行验证。 ( 3 ) 研制步态训练机器人样机，包括机器人三维建模和工程图的绘制、 驱动方式及其驱动元件的选择等。 ( 4 ) 建立步态训练机器人各驱动机构模型，并利用联立约束法建立步态 训练机器人单侧机构的动力学模型，验证模型的正确性，并进行步态训练机 器人的动力学仿真分析。 ( 5 ) 基于d s p a c e 半物理仿真平台，对步态训练机器人样机进行实验研 究，验证机器人实际作业空间的合理性和检验机器人样机的承载能力，并对 机器人样机的性能进行综合评定。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 1 引言 第2 章机器人工作原理及结构方案 研究人体行走时的髋、膝、踝等关节的运动规律以及与生物力学有关的 物理量，可以帮助临床医生进行疾病或康复进程的评定，并为下肢康复机器 人的设计提供理论的依据。本课题研究的步态训练机器人直接与人接触，工 作对象特殊，所以机器人的设计必须从受训者的需要出发，因此，本章将结 合人体康复理论，分析机器人的工作原理与整体机构方案；并对机器人的驱 动方式和驱动元件进行选择。 2 2 人体步态研究 2 2 1 人体步态康复理论依据 人体下肢运动关节主要由髋关节、膝关节、踝关节三个部分组成，其运 动情况以及共性的运动如表2 1 所示。通过三个主要关节的运动特性的比较 可知，各关节的运动虽不相同，但是屈、伸运动为共同的运动特性。 表2 1 下肢各关节运动关系 肢体关节 个性特征共性特征 髋关节屈、伸、收、展、内旋、外旋、环转 下肢膝关节 屈、伸、内旋、外旋 屈、伸 踝关节屈、伸 在人体下肢运动过程中，对于下肢障碍的人群来说，主要是下肢大腿、 小腿屈伸肌肉受到不同程度的损伤，导致人体下肢不能按照正常的步态轨迹 运动。因此，所研究的机器人应该能够帮助下肢障碍人群实现下肢关节的前 后转动，即帮助人体下肢大腿、小腿分别绕髋关节和膝关节进行前后摆动， 进而促进人体下肢屈、伸肌肉力量的提高，最终达到人体下肢全面康复的目 的，这也是下肢障碍人群达到康复目的的有效途径。 人体正常的步态是指当一个健康成人用自我感觉最自然、最舒坦的姿态 1 2 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 行进时的步态，正常步念需要中枢神经系统、周围神经系统和骨骼肌肉的动 态整合，是通过骨盆、髋关节、膝关节、踝关节和足趾的一系列活动完成的， 而躯干则基本保持在两足之间的支撑面上，正常的步态应该是平稳、协调、 有规律的，两腿交替进行，而且耗能最少。图2 1 是正常人行走时的一个步 态周期。 图2 1 正常行走的一个步态周期 一个步态周期又分为两个时期，即支撑期和摆动期。足跟接地即进入支 撑期，足趾离地进入摆动期。支撑期占步行周期6 0 ( 其中单侧肢体支撑期 占4 0 ，双侧肢体支撑期占2 0 ) ，摆动期占步行周期的4 0 3 们。双侧肢体 支撑期中包括预承重期和摆动前期，各占步行周期的10 。左、右脚在一个 周期内的对比图如图2 2 所示。 左脚： 右脚： 摆动期；二= = 二二二二 - = = 摆动期 支撑期 图2 2 左右脚在一个步态周期的划分对比 步态周期各时期划分及有关具体内容如下： ( 1 ) 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) 两个时期。预承重期是从被测足足跟着地至 对侧足足趾离地的时期；摆动前期是从对侧足足跟着地至被测足足趾离地的 时期。一侧足的预承重期即为对侧足的摆动前期p “。 ( 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 1 3 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 足跟着地的时期，也是对单侧肢体支撑期。 2 2 2 人体步态特征 步行时，下肢肌肉不断收缩做功。当肌张力不变、肌肉缩短的收缩为向 心性收缩，它使肢体向前迈进，产生能量，当肌张力不变、肌肉伸长的收缩 为离心性收缩。它对抗重力消耗能量，、当肌肉长度不变而肌张力变化的收 缩为等长收缩。步态周期各时期的特点归纳如下： ( 1 ) 预承重期：前足接地，准备承担体重，而对侧肢体准备进入摆动期。 此时，髋外展肌( 臀中、小肌) 收缩限制骨盆内收，控制骨盆下降，臀大肌 和绳肌收缩使髋关节伸展，股四头肌收缩控制膝关节屈曲，继之控制膝关节 伸展，踝关节基本处于中立位，胫前肌收缩控制足前部向下，使足跟先着地。 ( 2 ) 单侧肢体支撑期：被测足承担全部体重。此时，小腿三头肌强力收 缩，臀中肌收缩控制骨盆外展以保持躯干和骨盆的稳定，踝关节从跖屈约1 5 0 转为背屈1 0 0 ，身体重心从足跟移至前足。 ( 3 ) 摆动前期：后足蹬地，小腿腓肠肌收缩，足跖屈，地面的推进力使 人体产生向前的动能，髋屈肌收缩，拉动该侧腿进入摆动期，增加向前的加 速度并补充能量p “。肌肉做功可以补充步行中消耗的能量，其中髋关节屈肌 和小腿腓肠肌的作用最大。据报道，正常人步行中的补充能量8 5 来自踝关 节跖屈肌，1 5 来自髋关节屈肌p “。因此，摆动前期是步行周期中补充能量 的主要时期。 ( 4 ) 摆动期：髋屈肌收缩拉动肢体向前，绳肌使肢体减速，内收肌使股 骨内旋，胫前肌使踝关节背伸。步行时，髋关节起主要作用，两个做功高峰 分别是足跟着地前后和足趾离地前后，膝关节的角度、力矩均变化不大，产 生的能量很少，主要起到控制、缓冲和稳定作用。踝关节主要是跖屈肌发挥 作用，在足趾离地时做功最大p 。 步行时，单侧肢体支撑期重心最高，双侧肢体支撑期重心下降，最大可 有5 c m 的垂直移动。为减少重心过度移动，摆动期一侧骨盆旋前，对侧骨盆 旋后( 各为4 0 ，总计约8 0 ) 。骨翁前后旋转可使步长增加、重心下降。骨盆 的旋转、倾斜和上下移动使动能和位能相互转换，重心不断转移，形成最自 然、最舒适的步态，而且耗能最少。伴随骨盆的旋转，躯干上部做轻微的与 骨盆旋转方向相反的转动可以减少身体的扭转，保持平衡，使步行更协调、 更自然【3 5 1 0 1 4 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 2 2 3 人体下肢模型和步态轨迹分析 通过对人体下肢髋关节、膝关节和踝关节的运动分析可知，要完成对人 体下肢的康复训练，所设计的康复训练器就必须能够完成符合下肢关节的共 同的运动特征，下肢关节所共有的运动是屈、伸，如果用理论力学的语言来 描述，也就是绕定点转动的平面运动，为实现这个运动特征，可建立人体下 肢的简化模型如图e l 3 所示： 髋关节 膝关节 踝关节 干 大腿 小腿 足 图2 3 人体下肢的简化模型 在这个模型中，人体下肢步态运动可以表示为一个四刚体运动模型( 包 括躯干) ，下肢可以实现各自三个关节的屈、伸运动。下肢的髋关节、膝关节 和踝关节为三个铰链，大腿、小腿和足可分别绕各自的铰链转动。 人体的步态轨迹经过研究可以得出人体在行走时，步态轨迹随着人体也 向前跟进。在前面，已经介绍了人体步态的过程和特点，在人体脚后跟离地 ( h e e ll i f t ) 、脚趾离地( t o e0 f r ) 及摆动中期( m i d s w i n g ) 这三个过程中，可 以得到人体的步态轨迹类似一个上凸的椭圆轨迹，即一个椭圆的上半部分； 在脚后跟受力( h e e ls t r i k eo rl o a d i n gr e s p o n s e ) 、前脚完全承载( f u l lf o r e f o o t l o a d ) 及支撑期中期( m i d s t a n c e ) 这三个运动过程中，可以得到人体的步态 轨迹类似一个下凹的椭圆轨迹，即一个椭圆的下半部分。由此可以知道人体 在正常行走时，步态轨迹是一个类似椭圆的轨迹，如图2 4 所示。 哈尔滨t 稗大学硕十学付论文 一一 图2 4 人体近似步态轨迹 这个椭圆轨迹是不规则的，而且每个人的步态轨迹也是不尽相同的，有 的椭圆更扁一些，而有些椭圆则更圆一些，不同人群的身高也不相同，所以 他们的步态轨迹也不同。由于中风、外伤而导致下肢运动障碍的患者的身体 状况也不一样，他们的步态轨迹是非正常的，一些患者下肢运动也受到手术 后恢复、后遗症等因素的限制。所以在康复训练的过程中，必须让下肢运动 障碍患者的步态轨迹符合正常的步态，这就要求所设计的步态训练机器人能 够模拟人体正常的步态轨迹，并可以带动患者进行康复训练。 2 3 机器人设计要求 设计步态训练机器人，包括位置控制机构和姿态控制机构，并且设计完 成的机器人能够按照预定的程序实现对正常人的步态模拟，进而带动下肢运 动障碍的患者进行康复训练，能够实现台阶运动和原地踏步运动的模拟。步 态训练机器人是针对下肢运动障碍的患者进行康复训练的自动化装置，它的 整体性能要达到如下技术指标： ( 1 ) 8 0 公斤的承重能力，最大步长4 0 0 m m ； ( 2 ) 最高步速达到2 0 步分： 1 6 哈尔滨t 程大学硕七学位论文 ( 3 ) 在伺服系统的控制下，能够实现对人体步态的模拟，包括正常行走 步态、原地踏步步态、上楼梯和下楼梯步态，同时能够实现对脚踝姿态的调 节与控制； ( 4 ) 步长可以调节； ( 5 ) 训练器工作时噪音小、无明显震动； ( 6 ) 在保证性能要求下，尽可能地降低成本。 2 4 机器人工作原理 通过对人体步态和康复原理的研究，结合步态训练机器人的设计要求， 所设计的机器人应该符合以下两个运动规律： ( 1 ) 机器人的末端运动轨迹应完全符合人体的正常步态轨迹，包括正常 行走、原地踏步、上楼梯和下楼梯，由位置控制机构来实现。 ( 2 ) 机器人的姿态机构应该能够调整和控制受训者的脚踝姿态，实现脚 踝位置与姿态的协调一致性。 综上，本文给出了步态训练机器人单侧机构原理图如图2 5 所示。采用 左、右侧机构对称的形式。 y 图2 5 步态训练机器人单侧机构原理图 步态训练机器人单侧机构类似一个双滑块机构，左、右滑块和左、右支 1 7 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 架构成步态训练机器人位置控制机构，左、右滑块在预定的范围内左右移动 带动左、右支架绕工作点转动，进而带动机器人末端在一定的范围内做预定 的运动。脚踏板为步态训练机器人的姿态机构，脚踏板可以绕p 点转动来调 节和控制脚踝的姿态。位置控制机构和姿态控制机构协调工作，可以带动受 训者在大腿平面内做康复训练。步态训练机器人左、右脚机构可以协调工作， 相差1 8 0 度相位，完成站人体正常行走和其它常见步态的模拟酊 2 5 机器人结构设计 根据图2 5 所示的步态训练机器人单侧机构原理，左、右滑块机构可以 用两套线性模组相向放置来实现，左、右支架通过连接件固定在左、右线性 模组的滑块上，用驱动装置( 驱动方式的选择见2 5 2 ) 驱动左、右线性模组 带动左、右支架协调运动实现对人体脚踝位置的控制：脚踏板可以在驱动装 置的带动下绕p 点转动，实现对人体脚踝姿态的调节和控制。机器人两侧机 构协调运动实现对人体步态的模拟。 2 5 1 机器人三维建模与工程图 随着3 dc a m 软件应用技术的迅速发展，工业设计已经由传统的先二维 视图后三维视图转变为先三维视图后二维视图的正确顺序。p r o e n g i n e e r 软件是美国p t c 公司研制的一套由设计到制造一体化的三维设计软件，是新 一代产品的造型系统。p r o e _ n g i n e e r 已经成为当今世界上拥有用户最多的 三维软件，是全球c a i d c a d c a e p d m 领域最具代表性的著名软件。 p r o e n g i n e e r 总的设计思想体现了m d a ( m e c h a n i c a ld e s i g na u t o m a t i o n ) 软 件的新发展，所采用的数据比其他m d a 软件更具有优越性。p r o e n g i n e e r 是一套由设计至生产的机械自动化软件，是一个参数化、基于特征的实体造 型系统，并具有单一的数据库功能。利用该软件，不但可以建立零件模型， 还可以轻松地建立部件、整机的装配模型，也可以对设计的产品在