康复机器人的系统设计【下肢】
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摘 要
康复机器人技术则是近年来迅速发展的一门新兴机器人技术，是机器人技术在医学领域的新应用；目前康复机器人已成为国际社会研究的热点之一。本课题主要研究的基于姿态控制步态康复训练系统的设计。
本文介绍了下肢康复机器人国内外发展现状和应用情况，进行了步态训练机器人的总体方案设计、结构设计，和总体控制方案设计等；对步态训练机器人进行三维建模，并对重要零件进行校核。本步态训练机器人共有7个自由度，其中每一条机械腿上有3个关节（3个自由度）模仿人体腿上的踝关节、膝关节、髋关节和一个用于减重的减重系统（包括1个自由度）。此系统能用于脑损伤、中风等病人的步态康复训练，帮助病人更好地进行康复训练，减轻他人的帮助，挺高效果。
关键词：康复训练；机器人；步态
ABSTRACT
The rehabilitation robot technology is a new robot technology developed rapidly recently, which is a new application in medical fields of robot technology. Currently the research on rehabilitation robot has been one of the focuses in the International Society. The rehabilitation robot technology is a synthesis of many subjects, which covers mechanics, electronics, control and rehabilitative medicine and so on; it has been a typical representation of the mechatronics research. The main research of this paper is based on the attitude control gait rehabilitation training system design.
In this paper, lower extremity rehabilitation and development of robot applications at home and abroad, a gait training robot's overall programme design, structural design, design and overall control; gait training on the robot for three-dimensional modeling, and important parts to check. The robot gait training has a total of seven degrees of freedom, each of which a mechanical leg joints have three (3 DOF) to imitate human leg ankle, knee, hip and a weight relief for weight relief system (including a degree of freedom). The system can be used for brain injury, stroke, and to help patients better rehabilitation training, and meets.the needs of different groups of people.
Key words：rehabilitation training; robot; gait
目 录
第1章 绪论 1
1.1 概述 1
1.2 康复机器人的国内外研究现状 2
1.3 本课题主要研究内容 7
第2章 总体方案设计与选择的论证 8
2.1 步态分析 8
2.2 方案的选择 11
2.2.1 自由度的设计 13
2.2.2 基本参数的选取 13
2.2.3 驱动器的选择 14
2.2.4 关节结构的选择 14
2.2.5 连杆结构的选择 14
2.2.6 腰部结构设计 15
2.2.7 减重机构 15
2.2.8 整体结构设计 16
2.3 本章总结 16
第3章 机械结构的设计与计算及驱动元件选型 17
3.1 人体参数 17
3.2 各关节运动学分析 17
3.2.1踝关节的运动学分析 18
3.2.2 膝关节的运动学分析 18
3.2.3 髋关节的运动学分析 19
3.3 关节力矩分析 20
3.4 具体结构设计 21
3.4.1 关节结构的选择 21
3.4.2 连杆结构的选择 22
3.4.3 腰部结构设计 23
3.4.4 减重机构 23
3.4.5 整体结构设计 24
3.5 一些零件的设计和校核 25
3.5.1 轴承的选择及校核 25
3.5.2 气缸的选择 25
3.5.3 连杆的计算与校核 27
3.5.4 销轴的校核 29
3.5.5 双头螺柱的校核 30
3.5.6 传感器的选取 30
3.6 减重系统分析及相关计算 31
3.7 本章小结 32
第4章 供气与控制系统的设计 33
4.1 供气系统的设计 33
4.1.1 供气回路设计 33
4.1.2 气动元件的选择 34
4.2 康复机器人的训练方式 39
4.3 气动自动控制方框图 39
4.4 本章小结 40
结 论 41
参考文献 42
致 谢 45
第1章 绪论
1.1 概述
据报道，我国60岁以上的老年人已有1.43亿，占全国人口的11％，到2050年将达到4.37亿。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[1]。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长，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。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600，000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。随着国民经济的发展，这个特殊群体已得到了更多人的关注，为了提高他们的生活质量，治疗、康复和服务于他们的产品的技术和质量也在相应地提高。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，2005年医疗、护理、康复机器人的市场份额约为250，000美元，而到2010年将上升到1，050，000美元，其增长率在机器人的所有应用领域中占据首位。因此，服务于四肢的康复设备的研究和应用有着广阔的发展前景[2]。
康复机器人是康复设备的一种类型。康复机器人技术早已广受世界各国科研工作者和医疗机构的普遍重视，其中以欧美和日本的成果最为显著。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、人机工程化的康复机器人的需求，有待进一步的研究和发展。
由于康复训练机器人要与人体直接相连，来带动肢体进行康复训练，所以对驱动器的安全性、柔性的要求较高。近年来，以气动元件柔性驱动器逐渐引起人们的重视，在医疗康复器械领域中得到越来越多的应用。
本课题的研究目的是设计一种用于脑损伤、中风等病人的步态康复训练系统，帮助病人更好地进行康复训练，减轻他人的帮助，挺高效果。
1.2 康复机器人的国内外研究现状
在对有运动障碍的老人或残疾人进行治疗和康复的过程中，使用康复机器人可以解决好多问题：机器人的使用可以解决专业护理人员缺乏和医疗费用昂贵的问题，可以避免由于训练方法不科学和专业护理人员个人疏忽等主观原因引起的对病人的伤害，可供病人在家或工作场所使用，使病人获得更多的独立生活能力，提高了病人的生活质量等。康复机器人是一种自动化医疗康复设备，它以医学理论为依据，帮助患者进行科学而有效的康复训练，使患者的运动机能得到更快更好的恢复。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。
康复机器人有两种：辅助型康复机器人和康复训练机器人。辅助型康复机器人主要是帮助肢体运动有困难的患者完成各种动作，该类产品有机器人轮椅、机器人护士、机器人假肢、机械外骨骼等。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，该类产品有行走训练、手臂运动训练、脊椎运动训练等。
康复机器人是康复医学和机器人技术的完美结合，康复机器人技术在欧美等国家得到了科研工作者和医疗机构的普遍重视，许多研究机构都开展了有关的研究工作，近年来取得了一些有价值的成果。对于中风、偏瘫、下肢运动机能损伤等患者来说，下肢康复训练机器人有着很好的治疗效果。国内外许多研究机构都在这方面取得了不错的研究结果。下肢康复训练机器人发展主要经历了几个阶段。由早期的简单步行训练机发展到现在功能丰富、符合人体运动机理的下肢康复训练机器人。早期发展的下肢康复训练系统是借助于跑步机、悬吊系统等帮助患者进行运动训练，此种产品结构简单、价格便宜，但训练过程中必须有专业人员的帮助，而且并不符合人体运动机理，还不能称为康复训练机器人，只能是一种半自动的康复训练机械，如图1.1、图1.2所示。图1.1、图1.2中的步行训练机，它的功能单一、价格便宜，而且需要在专业护理人员的帮助下进行康复训练，这种机械对下肢病情比较轻的病人较合适。
图1.1 步行训练机[3] 图1.2 悬挂式步行训练机[4]
随着机器人技术和康复医学的发展，人们对人的行走步态有了比较清楚的认识，开发出了一些符合人体康复需要的产品。
德国柏林自由大学(Free University of Berlin)开展了腿部康复机器人的研究[5]，并研制了MGT型康复机器人样机(图1.3)。
瑞士苏黎士联邦工业大学(ETH)在腿部康复机构、走步状态分析方面也取得了一些成果，在汉诺威2001年世界工业展览会上展出了名为LOKOMAT(图1.4)的康复机器人模型。LOKOMAT机器人主要由步态矫正器、先进的体重支持系统和跑台组成。LOKOMAT机器人以使用者为根本，通过对机器人的行为、耐心、合作及运动功能进行评估,建立了一种更为有效的治疗方式，即：机器人先侦测使用者的运动，并且跟随使用者的运行轨迹而不是强制使用者按照预定的轨迹运动，通过机器人的自适应功能，来满足使用者的不同需求，它可以调整训练参数以适合不同患者的需要[6]。
结 论
本论文是在综述了目前国内外康复机器人的研究和应用的基础上，结合发展方向，针对康复训练的功能，具体阐述了一个基于步态控制的下肢康复机器人的设计。本设计的主要工作是设计出一个下肢有六个自由度（下肢每一条腿有3个自由度）的康复机器人及其相应的框架和减重机构（一个自由度），然后绑在人腰部和下肢上，分别带动髋关节、膝关节和踝关节的运动，从而训练相应部位的肌肉，帮助使用者恢复下肢的运动功能，它由减重机构、姿态控制机构、运动平板等组成。本文主要完成了以下工作：
1.根据康复训练机器人的应用对象、使用环境及技术指标的要求，结合人体工程学的基本知识和康复医学的基本理论，确定系统的总体方案，采用三个自由度分别实现单边髋关节、膝关节及踝关节的运动训练，总共采用7个自由度。
2.结合康复器械的运动特点，比较多种驱动器的利弊，选用气缸作为康复训练机器人的驱动器。选择气缸的型号，进行所需行程的计算。
3.进行了结构设计计算。根据机械设计的基本理论和方法，选择能完成机械运动的合适的零件，设计计算零件的型号和尺寸。考虑制作工艺性和装配工艺性，设计连接件的结构，如关节，用于关节间连接的支架，下肢的伸缩杆结构等零件。
4.针对机器人的驱动方式和应用场合，对供气系统进行了设计，并初步分析了控制系统的基本组成和机器人的运行方式。
设计出的康复训练机器人能够完成一定的康复训练工作，但要完全实现自动化控制，提高机器人的柔顺性，还需要开展如下的研究工作：(1)进一步研究气缸及其驱动关节的动态模型；(2)研究气缸闭环控制系统的特点，进一步提高系统的柔顺性。(3)进一步优化关节结构和杆件结构。
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本论文是在隋立明老师的悉心指导与亲切关怀下完成的。
在整个课题设计过程中，老师在课题方向的正确把握，对课题前沿研究成果的密切追踪，避免了我走很多弯路。老师严谨求实、诲人不倦的治学态度、以及敏锐的思维和一丝不苟的科研精神，使我受益匪浅。老师在课题研究的过程中对我的耐心的指导，更令我终身难忘。值此论文完成之际，谨向老师致以诚挚的感谢!
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