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目 录
中文摘要..............................I
Abstract .................................II
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
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
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。
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