（机械电子工程专业论文）卧式下肢康复机器人的研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 康复训练机器人技术是近年来迅速发展起来的一门新兴技术，是机器人 技术在医学领域的应用。卧式下肢康复训练机器人是一种新型的康复训练机 器人，它模拟正常人在仰卧时屈伸腿的动作，可以对下肢有运动障碍的病人 进行下肢康复训练。本课题的研究内容主要包括卧式下肢康复训练机器人的 机构设计和仿真、控制系统设计和实验研究。 本文首先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 卧式下肢康复训练机器人的总体设计方案，然后运用m a t l a b 中的机构仿 真工具s i m m e c h a n i c s 和s i m u l i n k 基本模块库分别对主运动机构和姿态机构 进行机构建模和仿真，确定了适合正常人仰卧屈伸腿时的机构参数，为实现 康复机器人的控制提供了必要的理论依据和参数。 根据仿真分析的结果，研制了下肢康复训练机器人的主运动控制系统， 设计了主运动电机的驱动与控制电路、串行通讯电路、编码器接口等硬件电 路，开发了基于a v r 单片机汇编语言的控制软件，给出了姿态机构的控制 方案。最后介绍了卧式下肢康复训练机器人的实验情况，研制了机器人实验 样机，进行了单片机控制系统软硬件的调试、编码器信号的采集、负载能力 测试、单片机与p c 机之间的通信等实验。实验结果证明了本文设计的康复 训练机器人达到了设计要求。 关键词：下肢康复机器人；康复训练；机构仿真；a v r 单片机 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e h a b i l i t a t i v er o b o tt e c h n o l o g yi san e wo n et h a th a sb e e nd e v e l o p e dr a p i d l y i nr e c e n ty e a r s ，w h i c hr e p r e s e n t st h ea p p l i c a t i o n so fr o b o t si nt h em e d i c a lf i e l d h o r i z o n t a l l i m b sr e h a b i l i t a t i v er o b o ti so n eo ft h i sk i n do fr o b o t s i tc a l ls i m u l a t e t h em o t i o no fn o r m a lh u m a n sl a y i n gg e s t u r ea n dg i v et h ep a t i e n t sh e a l i n g t r a i n i n gw h i c hw i l lh e l pt h e mt or e c o v e rf r o mi l l n e s s t h em a i nr e s e a r c ho ft h i s p a p e ri n c l u d e st h es t r u c t u r ed e s i g n ，m e c h a n i s ms i m u l a t i o n , c o n t r o ls y s t e md e s i g n a n de x p e r i m e n tr e s e a r c h t h ep a p e ra tf i r s ts y s t e m a t i c a l l yo v e r v i e w st h ed e v e l o p i n ga 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 s ，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 e f o rh o r i z o n t a ll o w e rl i m b sr e h a b i l i t a t i v er o b o t a n dt h e nt h em a i nm o t i o n m e c h a n i s ma n dg e s t u r em e c h a n i s mo ft h er o b o ta r em o d e l e da n ds i m u l a t e db y a p p l y i n gm e c h a n i s ms i m u l a t i o nt o o ls i m m e c h a n i c sa n ds i m u l i n kb a s i cb l o c k s e t so fm a t i a b ，a n dt h em e c h a n i s mp a r a m e t e r sa r ed e t e r m i n e df o ra d a p t i n gt o t h en o r m a lb e n d i n go re x t e n d i n gl e gw h e nb e i n go nh i sb a c k t h es i m u l a t i o n r e s u l t sp r o v i d et h et h e o r yb a s i sa n dp a r a m e t e r sr e q u i r e df o ri m p l e m e n t i n gt h e r o b o tc o n t r 0 1 a c c o r d i n gt ot h er e s u l t so fs i m u l a t i o na n a l y s i sl o w e rl i m b sr e h a b i l i t a t i v e r o b o ti sd e v e l o p e da n dt h ea c t u a t i o nc o n t r o lc i r c u i to fm a i nm o t i o nm o t o r t h e s e r i a lc o m m u n i c a t i o nc i r c u i t ，a n dt h ee n c o d e ri n t e r f a c ec i r c u i te t ca r ed e s i g n e d t h ec o n t r o ls o f t w a r eb a s e do nt h ea v ra s s e m b l yl a n g u a g ei sb u i l t t h ec o n t r o l s c h e m eo fg e s t u r em e c h a n i s mi sg i v e n a tt h ee n do ft h i sp a p e rt h ee x p e r i m e n t s i t u a t i o n so ft h el o w e rl i m b sr e h a b i l i t a t i v er o b o ti si n t r o d u c e d 。t h ee x p e r i m e n t p r o t o t y p eo ft h el o w e rl i m b sr e h a b i l i t a t i v er o b o ti sd e v e l o p e d t h ee x p e r i m e n t s a r ec a r r i e do u t ，w h i c hi n c l u d et h es o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e b u g g i n go f s i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e rc o n t r o ls y s t e m ，e n c o d e rs i g n a l sc o l l e c t i n g ，l o a d c a p a b i l i t yt e s t i n ga n dc o m m u n i c a t i n gb e t w e e ns i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e ra n dp c c o m p u t e ra n ds oo n t h ee x p e r i m e n tr e s u l sp r o v et h a th o r i z o n t a ll o w e rl i m b s r e h a b i l i t a t i v er o b o tm e e t sd e s i g nr e q u i r e m e n t s 哈尔滨工程大学硕士学位论文 k e y w o r d s ：l o w e rl i m b sr e h a b i l i t a t i v er o b o t ；r e h a b i l i t a t i v et r a i n i n g ；m e c h a n i s m s i m u l a t i o n ；a v rm i c r o c o m p u t e r 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 献等的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中 已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体己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，均己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担。 作者( 签字) ：熟盗叁 日期：驯年2 - 月2 ；日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 1 概述 第1 章绪论 机器人学是近4 j 0 年来发展起来的一门交叉性学科，它涉及电子学、计 算机科学、控制理论、传感器技术、机械学、仿生学、人工智能等学科领 域。机器人技术的发展带来划时代的变革。目前，工业机器人与其它设备 组成的生产线极大地提高了企业的生产率、提高和稳定了产品质量、大大 缩短了产品更新换代的周期，机器人的出现和发展已使传统工业生产的面 貌发生了根本性变化，使人类的生产方式从手工作业、机械化、自动化、 跨入智能化的新时代。机器人不仅在工业上应用愈来愈广，而且正在社会 服务、海洋开发、宇宙空间、地下矿藏、抢险救灾、军事等领域开拓新应 用，以代替人在其无法适应的特殊环境下工作，这将极大地扩展人类生产 和活动范围，大大提高人类创造性劳动的能力。自1 9 5 4 年美国g c d e v o l 发表“通用重复型机器人”专利论文和美国c o n s o l i d a t e d 发表“数字控制机 器人”论文，揭开机器人的序幕以来，机器人的发展大致经过三代演变。 第一代是顺序控制的、示教再现型机器人。它是以1 9 6 2 年a m f 公司和 u n i m a t i o n 公司的v e r s a t r a n 与u n i m a t e 为起始产品，依靠人们给予程序、能 重复进行多种操作的系统。由于不具有传感器的反馈信息，因此不能在作 业过程中从外界获取信息，故应用范围和精度受到限制；第二代是装有小 型计算机和用简单的传感器反馈信息的机器人。它有一些传感器，能对自 身位置、方向、速度、力等进行测量，能通过视觉、触觉等传感器对外部 环境检测，由这些反馈信息在事先编好的算法和程序的指导下对操作过程 进行调整。它的发展与传感器技术、计算机技术、仿生学、控制理论有密 切关系；第三代机器人是能感知外界环境与对象物，并具有对复杂信息进 行准确处理、对自己行为做出自主决策能力的智能机器人。它能识别景物， 有触觉、视觉、力觉、听觉、味觉等多种感觉，能实现搜索、追踪、辨色、 识图等多种仿生操作，具有专家知识、语音功能和自学习等人工智能。由 于智能机器人具有思维、感知和行动功能，可获取、处理和识别多种信息， 建立并修改环境模型，自主地完成复杂的操作任务，因此比第二代机器人 具有更大的灵活性、机动性，机器人的应用也从传统的制造领域向非制造 哈尔滨工程大学硕士学位论文 领域扩展，显示出十分广阔的应用前景。 我国机器人研究开始于7 0 年代，但仅仅停留在样机的研制上。到1 9 8 5 年，国际上工业机器人己大量投入使用，计算机技术、伺服驱动技术已日 渐成熟，并且制造业特别是汽车工业提出了对工业机器人的需求，如喷漆、 焊接和搬运等。在这种情况下，国家首次在“七五”科技攻关项目中立项 支持。在技术发展上，主要立足于国产机器人的研究、开发和应用，机器 人技术与机器人用户紧密结合起来，使中国工业机器人一起步就进入实用 化阶段。并且国家“8 6 3 ”智能机器人专家组将智能机器人的研究作为发展 的重点，国防科工委也制定了智能机器人发展计划，包括空间机器人、水 下机器人、陆地自主车等，许多大专院校和科研机构都在进行智能机器人 的研究和开发工作并取得了一些成果，从总体上看，我国研制的智能机器 人都达到了世界同类产品的同期水平。 1 2 康复机器人技术的发展与研究现状 目前，机器人技术在医疗领域得到了飞速的发展，医用机器人已经成 为国际机器人领域的一个前沿研究热点。医用机器人主要包括康复机器人、 外科手术机器人和医用服务机器人等。其中机器人用于康复领域主要包括 康复训练、助残和病人看护等。康复机器人是近年出现的一种新型机器人， 它属于医疗机器人范畴。它分为康复训练机器人和辅助型康复机器人，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，如行 走训练、手臂运动训练、脊椎运动训练、颈部运动训练等；辅助型康复机 器人主要用来帮助肢体运动有困难的患者完成各种动作，如机器人轮椅、 导盲手杖、机器人假肢、机器人护士等【”。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，已成为国际机 器人领域一个研究热剧“。先进机器人技术在康复方面的广泛应用，带动了 新技术、新理论的发展i a h l 。 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【5 】。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 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 通运输工具的迅速增多，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。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【6 l a 因为这类患者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【”。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【8 】，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。这种机器人也可 以作为健康老年人的体育运动训练器材 9 1 。 康复机器人1 1 0 l 在原理上和工业机器人有很大的区别。也不同于一般的 体育运动训练器材。它直接作用于人体，与人在同一个作业空间工作，人 与机器人作为一个整体协调运动；而工业机器人在工作时是通常是不允许 人进入作业空间的。普通体育器材都是阻力型的，通过对受训者施加运动 阻力使肌肉得到锻炼，它只能用于健康人，不能用于有运动障碍的患者。 康复机器人是帮助残疾人解决生活中活动困难的一种工具，它可以在 家里或在工作场所使用，使残疾人获得更强的独立生活能力，并相当大地 提高他们的生活质量。康复机器人现在已经由科学幻想走进了现实生活之 中i l 。过去几年，康复机器人产业在欧洲已经有所发展，些欧洲企业在 技术开发及投资方面有了很大投入。 1 2 1 国外康复机器人的发展概况 在欧盟残疾及老年人技术计划( t i d e ) 中有- - - 个研究与发展领域是康复 机器人，该计划对康复机器人的研制有一定的推动。随着欧洲康复机器人 论坛( f e r r ) 的建立，欧洲的业内人士开始认识到，研究康复机器人技术问 题的重要性。近年来，西方许多先进国家都积极开展康复机器人方面的研 究并取得了很多成果 1 3 , 1 4 , 1 5 , 1 6 , 1 7 】。 1 9 9 5 年来自美国麻省理工学院和s p a u l d i n g 康复医院的研究小组发明 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 了一种被称为m i t m a n u s 的机器人，如图1 1 所示。该机器人可以通过阻 抗控制实现训练的安全性和平稳性。研究结果显示，这种i q l t - l | l a n u s 机器 人不仅能够帮助轻微的中风患者进行康复治疗，此机器人甚至对那些中风 发生5 年以上的患者也有效果。 美国斯坦福大学研究的实现镜像运动的上肢康复机器人( m i r r o r i m a g e n a b l em i m e ) 可实现上臂的单侧或双侧运动，如图1 2 所示。研究表明， 对于偏瘫患者双侧对称运动具有较好的疗效。 以英国r e a d i n g 大学为首的欧洲跨国研究小组，于2 0 0 2 年研制出一种 叫做g e n t l e s 的上肢康复训练机器人，其基本功能与m i t m a n u s 相似， 其机械臂的结构更简单、紧凑，机械臂为三自由度的升降式摇臂结构，机 械臂的腕部带有三个被动自由度，可实现手臂三维运动，利用虚拟现实技 术，通过电脑屏幕对患者实施生物反馈，已用于临床，取得了明显效果。 韩国大星产业株式会社在康复机器人研究方面也取得了一定的成就，该 公司生产的大部分为气动式的，图1 3 为该公司生产的气动式手康复装置。 针对手指痉挛、麻痹、瘫痪的症状，通过空气压力驱动手指运动，改善手 指的运动功能。 图1 1m i t - m a n u s 机器人图1 2 康复机器人m i m e 图1 3 气动式手康复装置 图1 4 主被动活动器c a m o p e d 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图1 4 为德国生产的主动活动器c a m o p e d ，主要是以健康腿的运动来 帮助患腿的被动训练，能够有效地帮助患者恢复其本体感觉，因此患者的 协调功能也能得到更早的恢复。其特点是运用新型材料重量轻，结构简单， 便于携带与放置。 瑞士苏黎士联邦工业大学伽1 在腿部康复机构、走步状态分析方面取 得了一些成果，在汉诺威2 0 0 1 年世界工业展览会上展出了名为l o k o m a t 的 康复机器人如图1 5 所示。该机器人有一套悬吊系统来平衡人体的一部分 重力，用一套可旋转的平行四边形机构来进行平衡控制，只允许患者在走 路过程中的向上和向下的运动，患者不用自己保持上身在竖直面内。为了 适应不同患者的需要，该机器人的各个关节均可调整。为了让患者感到舒 适，所有与患者接触的绑带都是宽而软的。在对患者进行康复试验中取得 了很好的效果【l 。 日本的m a k i k a w a 实验室结合机器人技术、生物信号测量技术、虚拟现 实技术研制出一种下肢康复机器人，如图1 6 所示。该机器人可以使病人模 拟正常人走路、上斜坡、爬楼梯、滑行等各种运动，从而达到康复锻炼的 目的。 图1 5l o k o m a t 机器人 图1 6m a k i k a w a 的机器人 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 ) 开展了腿部康复机器 人的研究，并研制了m g t 型康复机器人样机f 图1 7 ) 【1 9 j 。 美国的r u t g e r s 大学开展了脚部康复机器人的研究，并研制了 r u t g e r 踝部康复训练机器人样机( 图1 8 ) 2 0 1 。 德国f r a u n h o f e r 研究所腿部康复机器人的研究，研制了绳驱动康复 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 训练机器入，如图1 9 所示。 图1 7 下肢康复训练机器人 图1 8 踝关节康复训练机器人 图1 9 德国f r a u n h o f e r 研究所研制的绳驱动康复训练机器人 1 2 2 国内康复机器人的发展概况 在我国，康复医学工程虽然得到了普遍的重视，但康复机器人研究仍 处于起步阶段。近几年我国康复工程在各个方面取得了一定的进展，特别 是技术含量不太高的中档产品( 如康复器械) 发展较快，取得了一些可喜成 果，填补了一些空白【2 l ，2 2 ，2 3 ，2 4 1 。清华大学在国家自然科学基金的资助下，对 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 康复机器人进行了研究并取得了一些研究成果。图1 1 0 是清华研制的卧式 下肢康复机器人样机，在这项成果中他们采用了虚拟现实技术。图1 1 1 是 肩关节神经康复机器人。 图1 1 0 卧式下肢康复机器人 图1 1 1 肩关节神经康复机器人 我国简易型康复训练器械的产品较多，宝达华系列采用自行车原理， 与普通体育训练器材的工作原理相同f 图1 1 2 、图1 1 3 ) 。浙江金华系列主要 是各种关节康复器( 图1 1 4 、图1 1 5 ) 。图1 1 6 是一种手臂训练器械，它可 以对患者手臂施加一定的运动阻尼。图1 1 7 是另外一个康复训练器械产品， 它通过配重的方法对患者的各关节旆加一定的运动力和运动阻力，对患者 的肢体进行康复运动训练。 图1 1 2 宝达华系列康复训练器 图1 1 3 宝达华系列康复训练 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图1 1 4 下肢关节器图1 1 5 踝关节器 图1 _ 1 6 手臂康复训练器图图1 1 7 全身康复训练器 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， 2 0 0 5 年医疗、护理、康复机器人的市场份额约为2 5 00 0 0 美元，而到2 0 1 0 年将上升到10 5 00 0 0 美元，其增长率在机器人的所有应用领域中占据首位。 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 0 0 0 0 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。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，如跑步机式康复训练机器人、 自行车式腿部训练机器人、行走辅助车、手臂训练机器人、踝关节训练机 器人、下肢训练机器人，以及人工假肢、电动轮椅等，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、人机工程化的 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 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 的技术在以后得到更多的重视与推广。目前，我国康复设备自动化程度较 高的大多数为进口设备，成本较高。因此，随着科学技术的发展，该领域 技术研究的深入，康复设各的国产化具有必然性及可行性。 1 3 课题来源与研究意义 本课题为自拟课题。 康复机器人技术除了涉及机器入运动学、动力学、伺服控制技术，还 涉及到人体的运动机理和运动模型、人与机器人的协调运动控制、人机安 全、特种机构、人的运动状态测量及康复评价方法等多项技术。对康复机 器人的关键技术进行研究对于跟踪机器人国际前沿技术、完善和发展康复 机器人理论具有重要价值。对康复机器人技术的研究可以为康复机器人的 产品开发提供必要的理论依据、实验数据和研究经验。 康复机器人技术转化为机器人产品，对于提高患者的康复质量、减轻 社会负担具有重要的实际意义。由于各种原因而患有肢体运动障碍的患者 人数很多，随着生活水平的提高，对康复治疗的需求也会越来越大，康复 机器人将有很好的市场前景。康复机器人成果的转化可能会带动一个新兴 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。 康复机器人结合了多个学科最新研究和发展的成果，应用于医学诊疗， 康复训练等相关的医学领域。康复机器人用于四肢康复的研究起步较晚。 目前，我国康复设备自动化程度较高的大多数为进口设备，成本较高。因 此，随着科学技术的发展，该领域技术研究的深入，康复设备的国产化具 有必然性及可行性。 1 4 主要研究工作 本课题研究的主要内容是：设计卧式下肢康复机器人机构，并建立下 肢康复机器人的控制系统。课题研究内容如下： 1 机器人的机械结构部分 根据卧式下肢康复机器人的设计要求以及人在仰卧时屈伸腿的运动规 律，研究和设计了机器人的机械本体。 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 机器人机构仿真 应用m a t l a b 中的机构仿真工具s i m m e c h a n i c s 及s i m u l i n k 模块为主运 动机构和姿态机构进行了建模和仿真，为机器人的机构设计提供了理论依 据，并为机器人的控制系统提供了必要的控制参数。 3 机器人的控制系统 完成卧式下肢康复机器人主运动电机驱动的控制电路及控制程序设 计，给出了姿态控制系统的控制原理。 4 实验分析 搭建实验平台，对主运动控制系统进行实验。 1 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章卧式下肢康复机器人的结构设计 2 1 引言 卧式下肢康复机器人是对下肢具有运动障碍的患者进行主动康复训练 的自动化机械装置，它可以帮助因中风等疾病或因外伤引起的腿部运动障碍 进行运动机能恢复性训练。有助于恢复肢体功能，防止肌肉“废用性”萎缩。 通过计算机自动控制模拟正常人的仰卧时屈伸腿的运动状态，使病腿的运动 功能得到训练；同时也可以用病人的一条好腿来带动病腿进行训练。本课题 研究的主要任务是完成卧式下肢康复机器人的往复机构、大小腿屈伸机构和 脚踝姿态机构的设计与控制，作为帮助有下肢运动障碍的病人进行康复训练 的机器人，首先应该具有合理的结构，能够模拟正常人仰卧时屈伸腿运动， 为病人进行下肢机能恢复训练提供帮助，其次，考虑到机器人的工作对象是 行动不便的病人，需要提高机器人的可靠性、安全性和舒适性，最后，该机 器人属于康复机器入，应该保证无污染和清洁，以利于病人的康复。 2 2 康复机器人系统的性能指标和总体方案 2 2 1 康复机器人的性能指标 卧式下肢康复机器人是对下肢具有运动障碍的患者进行主动康复训练 的自动化机械装置，它可以帮助因中风等疾病或因外伤引起的腿部运动障碍 进行运动机能恢复性训练。卧式下肢康复机器人的整体性能应达到如下主要 技术指标： ( 1 ) 3 自由度； ( 2 ) 承载能力1 0k g 屈伸机构； ( 3 ) 腿最高屈伸频率2 0 次份； ( 4 ) 机构能使病人模仿正常人仰卧时屈伸腿运动、脚踝姿态自动控制： ( 5 ) 机构既具有主动特性又具有被动特性； ( 6 ) 康复效果自动评定、状态显示。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 2 2 康复机器人的总体方案 卧式下肢康复机器人系统的总体方案如图2 1 所示。 i ；磊磊写西一!i 机器火幂任j i 上位控制器 l 器人本体 _ _ _ 信号划 一主运动机构卜 下 电 一上位p c 机i 位 l - - t 左脚踝姿态机构卜一控源 c r t 显示器j电源线： 制 芦脚踝蜚念刀l 倒r 机构卜_ 一 器 图2 1 卧式下肢康复机器人总体方案 卧式下肢康复机器人由如下几部分构成： ( 1 ) 机器入本体：包括往复式主运动机构( 1 套) 和大小腿屈伸机构( 左右 腿各1 套) ；脚姿态调整机构( 左右脚各1 套) 。以机架纵向轴线为对称轴，对 称布置； ( 2 ) 上位控制器：p c 机实现人机界面交互，控制机器人速度，机器人状 态显示等功能； ( 3 ) 下位控制器：以a v r 单片机为核心，完成机器人各执行机构的控制 功能和机器人状态的检测； 2 3 康复机器人结构设计 2 3 1 人体参数分析 根据我国成年人人体比例尺寸关系( 如图2 2 ) 可知：大腿长约占人体总高 度的0 4 7 ；小腿长约占人体总高度的0 2 6 0 2 6 5 ；髋关节宽度约占人体人体 总高度的0 2 ：脚长约占人体总高度的o 1 5 。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 0 0 0 2 2 4 h 眼睛 国 j i 颏w 。肩t ： 厂l 0 0 1 6 9 h - tv 忙k _ ： ； 肘 i 厂一、r ； jl 。1 8 2 i ii l 手腕 ， 髋 指尖 l臀。 ， “ ， 三 惫 露嗣 ii踝d d ，】d 呸 0 2 2 4 h0 h 。 。眼睛靡痢i 2 6 h 。颏 嘤 6 2 h -肩 蓉 俨。1 6 7 墨i 、里 磊 p j i d 扩0 _ 2 。2 h 肘 j 高g ， 手腕j v 。一1 髋 j l i 臀 罾 t 髓 指尖譬 繇暑 i 晕 鲥 - f委 篇 j鼍 嚣 踝；d 1 j 0 一o 1 4 觚l +l千h 一0 0 5 6 h 图2 2 我国成年人人体比例尺寸关系 0 0 05 0 0 0 5 0 0 1 0 0 02 5 0 0 2 0 0 01 5 0 0 1 0 0 0 5 0 0 ( a ) 水平距离。 ( b ) 朝下仰卧时的身体轮廓，膝关节弯起的活动空间 图2 3 仰卧的活动空间 正常人在仰卧时屈伸腿的运动情况如图2 3 所示，图2 3 ( a ) 为正视图， 零点位于正中中垂平面上，图2 3 ( b ) 为侧视图、零点位于经头顶的垂直切线 1 3 0毯恒删翎 丢耋 哈尔滨工程大学硕士学位论文 上，垂直切线与仰卧平面的交点作为零点。腿由伸直状态到完全弯屈的状态 时脚的运动范围约为5 0 0 m m 。大腿与水平面的夹角约为6 0 度。针对中国人 的身体状况，特别针对有运动障碍的中老年患者恢复正常行走功能，按身高 1 7 5 c m 左右，在设计康复机器人时，合理尺寸大致设定为： 大腿长：3 5c l t i 小腿长：4 6 c m 两腿间距：2 4 c m 2 3 2 总体结构方案 卧式下肢康复训练机器人包括往复式主运动机构( 1 套) 和大小腿屈伸机 构( 左右腿各1 套) ；脚姿态调整机构( 左右脚各1 套) 。且以机架纵向轴线为对 称轴，对称布置。在大、小腿屈伸的过程中，髋关节和膝关节可得到锻炼； 在脚姿态调整的过程中，踝关节得到锻炼。图2 4 是总体结构方案示意图。 2 3 3 主运动机构 图2 4 总体结构方案示意图 2 3 3 1 主运动机构的结构形式及尺寸确定 形带1 一 根据正常人仰卧时屈伸退运动分析可知，只要设计出能够模拟腿往复屈 伸的机构，把脚踏板安装在机构上形成一定的配合运动，就可以帮助患者进 行康复训练。根据常见机构学理论，并从降低成本和简单方便的角度来考虑， 本课题采用齿形带轮副、曲柄连杆滑块机构来实现。 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 腿支 图2 5 主运动机构示意图 在确定了连杆工的结构尺寸后曲柄连杆机构就确定了。图2 5 中标出了 曲柄连杆机构的关键尺寸，其中曲柄长( 腿支架) r 、基座高h ( 3 0 0 m m ) 踏板 高h ( 3 2 0 r a m ) 尸, ，并已知腿由伸直状态到完全弯屈的状态时脚的运动范围 约为5 0 0 m m ，大腿与水平面的夹角约为6 0 。尺寸c 在运动中要求尽量保持 不变。有了这些条件，应用几何知识求出连杆长约为6 0 0 r a m ，取l = 6 0 0 m m 。 2 3 3 2 主运动机构的驱动 机器人常用的驱动方式有：液压驱动、气动驱动、电动驱动和机械式驱 动四种基本方式【瑚。电动驱动主要有步进电机、直流伺服电机和直流力矩电 机，据需要选择直流力矩电机驱动【2 7 】，电机的选型计算如下： 腿支架受力；f = 8 0 n ( 按水平时最大力计算，方向竖直向下1 滑块移动速度：v = 0 1 m s 减速比：i 一6 大齿轮直径：d = 1 2 0 r a m 总效率：行= 8 0 电机转速：n = v i x 6 0 = 2 6 0 r p m 000 1 9 电机需要的扭矩：t = 4 5 r o 0 0 1 d x 0 5 + 珂+ f ：1 7 3 n m 考虑机器人的性能要求，驱动电机选用北京微电机公司的直流力矩电机 1 3 0 l y 5 4 ，该电机的特性曲线如图2 6 所示 图2 7 电机力矩与滑块位移关系图 1 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 4 0 0 量3 0 0 h 删 球2 0 0 暴 删 1 d 口 ；l 7 r ； f 所选电机是采用铝镍钴永磁体制成的高性能力矩电机。该电机具有低转 速，大扭矩，反应速度快，特性线性好，力矩波动小等特点，而且结构紧凑， 是一种高精度伺服系统执行元件。其性能指标如表2 1 所示。 表2 11 3 0 l y 5 4 型直流力矩电机性能指标 额定峰值堵转 连续堵转 空载峰值堵转额定 转动 功率转矩转矩转速电流电压惯量 ( n m )啊m ) ( r p m ) ( a )( v ) ( k g m z ) 1 4 7 43 3 4 21 6 6 74 0 05 4 62 7 2 2 6 x 1 0 5 2 3 33 同步齿形带及带轮的选择 带传动是利用张紧在带轮上的带，借助它们间的摩擦或啮合，在两轴间 传递运动或动力。带传动具有结构简单、传动平稳、造价低廉、不需润滑以 及缓冲吸振等特点。选用电机的额定功率约为1 5 0 w ，是小功率传动，但传 递的力较大，所选材料应能满足要求。由于两腿的运动具有平行性，故两个 同步带轮齿数应相等。本课题选用宁波伏龙齿形带及带轮。齿形带选用梯形 图2 , 9 梯形齿工业用带 1 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i n 齿工业用带，如图2 9 所示。具体参数如表2 2 所示。带轮选用a f 型，如图 2 1 0 所示。 表2 2 齿形带的具体参数 节距咒 齿高h 带厚h 。 型号角度启。 ( n l m )( m m )( m i 吣 t 1 01 02 54 54 0 图2 1 0a f 型带轮 具体规格如下：齿形带t 1 0 x 1 9 8 0 ，带轮t 1 0 - 3 0 h 2 5 。根据带轮和同步 齿形带的尺寸计算得到中心距为：a = 8 0 0 m m ，主动轮上的包角为：口一1 8 0 0 ， 包角满足传动要求。 2 3 4 姿态机构 姿态机构是设计用来帮助患者进行康复训练时辅助脚踝运动的，针对机 构来说，就是实现脚踏板绕固定在支座上的转轴的摆动，实现调节脚踏板与 床面之间的角度，也就是模拟人在仰卧届伸腿时脚踝的运动。 姿态机构的结构简图如图2 1 1 所示【2 8 2 9 ，3 0 1 。图中，h 为脚踏板转轴与连 杆转轴的高度，f 。为连杆转轴与脚踏板转轴水平f b 3 距，f ，f ：，f ；，h 为结 构参数，工作时，z 。的长度可变。即通过连杆f ：的摆动带动脚踏板绕基座摆 动a 为了使姿态机构充分发挥其作用，必须求出芦角变化规律。其求解方法 如下： 对于爿点有： 1 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 f x = - 1 0 + l l s i n o 1 2 c o s o 1 y = 2 s i n 0 + l c o s a 陋 = - 1 4 s i n f l 一1 3 c o s f l 1 y 一1 4 c o s f l l a s i n f l + i l 联立方程( 2 1 ) ，( 2 2 ) 求解得： ( 2 - 1 ) ( 2 - 2 ) 卢：a s i n - 1 ( 1 ，拓可丽) ( 2 3 ) 当y 一hs 0 时，= 石+ t a n 。( y 一矗” 当y h 0 时，a = t a n 一1 0 ( y 一j 1 ) ) y 文。 哆 。x 丙 d 】 图2 1 1 姿态机构示意图 、 由式( 2 3 ) 可知，只要知道了0 的变化规律就可求解芦的变化规律，而o 是 姿态电机的转角，其运动规律很容易求得，故口的运动规律也可求出。通过 控制0 的变化规律来控制卢的变化规律就可以使姿态机构能很好的配合主运 动实现病人仰卧屈伸腿的运动，达到良好的训练效果。由图2 1 1 可以看出l ， 水平时，f 。的长度就是驱动力的力臂，在，长度一定的情况下h 的高度越大， ，。的最短距离就会越小，即驱动力的力臂减小，为保证驱动力矩足够h 的高 度过高。f 。影响的是，。在水平时的长度。综合所有因数计算得出了个参数的 值，f 0 ；5 0 m m ，】= 3 0 m m ，2 ；1 8 0 m m ，l ；4 5 r a m ，h ：1 1 5 m m 。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 3 5 机械结构 根据机构部件的选择及卧式下肢康复机器人总体结构设计基本要求，综 合考虑各部件协调配菁! ，设计的总体结构图如图2 1 2 所示。具体介绍如下： 1 往复运动控制机构 往复运动机构由带传感器的直流力矩电机1 、齿轮组减速机构2 、齿形 带轮副、光杠导轨1 0 、1 1 、导轨支架1 3 、1 6 、滑动座5 5 、压板5 8 和机架9 组成。其中，2 个导轨支架1 3 、1 6 沿机架9 纵向轴线一前一后地固定于机架 9 的下表面；2 套光杠导轨1 0 、1 1 ( 每套两根，一上一下) 沿机架9 纵向轴线 对称地固定于导轨支架1 3 、1 6 两侧的透孔中；2 套滑动座5 5 借助其上的透 孔以机架9 纵向轴线为中线一左一右地套装在光杠导轨1 0 、1 1 上；齿形带4 的2 条平行边平行于机架9 的纵向轴线，其主动轮3 与直流力矩电机1 和齿 轮组减速机构2 相连，从动轮1 4 与装在导轨支架1 3 上的螺杆张紧机构1 2 相连；每套滑动座5 5 都借助压板5 8 夹紧在相邻的齿形带4 上( 设计要求： 做康复训练时，两条腿一曲一伸，故沿机架9 纵向轴线，滑动座5 5 一前一 后) 。滑动座5 5 沿光杠导轨1 0 、1 1 的往复运动由直流力矩电机1 的正反转 并经齿轮组减速机构2 带动齿形带轮副和压板5 8 实现。 2 大小腿屈伸控制机构 大小腿屈伸机构( 左右腿各1 套) 为曲柄连杆机构。其中，腿支架( 曲柄) 7 的一端铰接在机架9 上表面，另一端与可伸缩的连杆6 端部铰接，而连杆6 的另一端铰接在滑动座5 5 的下端；腿支架( 曲柄) 7 上装有大腿捆绑带8 ；可 伸缩的连杆6 可借助快速锁紧机构锁定。于是，当滑动座5 6 沿光杠导轨1 0 、 1 1 往复运动时，曲柄连杆机构将带动大小腿作屈伸运动。 3 脚姿态调整机构 脚姿态调整机构( 左右脚各1 套) 是围绕长方形滑动座5 6 展开的一组可控 机构，包括电机5 7 、小齿轮5 6 、半齿轮5 4 、驱动臂5 3 和脚踏板5 0 。其中， 小齿轮5 6 和半齿轮5 4 是对啮合副，驱动臂5 3 是半齿轮5 4 的延伸部分， 端部有一销轴5 2 ，插装在跟部与滑动座5 6 上端铰接的脚踏板5 0 背面的条形 槽道中，脚踏板5 0 的正面装有捆绑带5 1 。于是，当电机5 7 带动小齿轮5 6 转过某一角度时，半齿轮5 4 上的驱动臂5 3 将推动脚踏板5 0 至某一位置， 即改变了脚的姿态，同时也活动了踝关节。 使用时，患者仰卧在床上，机架9 置于两腿之间，两脚踏在脚踏板5 0 2 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 上，系紧捆绑带5 l ；大腿放在腿支架( 曲柄) 7 上，系紧捆绑带8 。初始状态 时，因滑动座5 6 沿机架9 纵向一前一后，故患者一条腿处于伸直状态，另 一条腿处于弯曲的状态。患者可在单片机1 7 的键盘上自主设定控制指令， 启动直流力矩电机1 ，单片机1 7 接受来自传感器的力、转角和转速信号，并 控制直流力矩电机1 的转动，进而实现患者腿部的屈伸运动；与此同时，脚 姿态调整机构中的电机5 7 也协同动作，并带动踩关节运动。 ( b ) 图2 1 2 卧式下肢康复机器人总体结构图 ( a ) 总体结构主视图( b ) 总体结构俯视图 2 1 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 4 本章小结 本章介绍了卧式下肢康复机器人的总体构成和系统的性能指标，详细研 究和设计了卧式下肢康复机器人的主运动机构、姿态机构，主运动机构能够 模拟正常人仰卧时屈伸腿的运动，姿态机构能够调节脚踏板与水平面的角 度，最终调节脚与腿的角度，辅助患者的踝关节进行康复训练。主运动机构 和姿态机构协调工作，模拟正常人在仰卧时的运动，帮助下肢有运动障碍的 患者恢复下肢的运动机能。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 1 引言 第3 章机构的建模及仿真分析 本章利用m a t l a b 中的s i m u l i n k l 3 1 l 及s i m m e c h a n i c s 【3 2 】分别对主运动 机构和姿态机构进行运动学和动力学建模及仿真，找出适合正常人仰卧屈 伸腿时轨迹的机构参数，优化机器人的机械设计，并为机器人的控制系统 提供必要的理论依据和参数，实现了对两部分机构运动学和动力学的仿真 和分析。 3 2 卧式下肢康复机器人的机构仿真 m a t l a b 中的机构仿真工具s i m m e c h a n i c s ，利用牛顿动力学中力和转 矩等基本概念，可以对各种运动副连接的刚体进行建模与仿真，实现对机构 系统进行分析和