周威-毕业设计

1、下肢康复机器人人因动作分析下肢康复机器人人因动作分析河南科技大学机电工程学院周威指导老师：王会良人因分析及康复机器人设计要求2人体下肢关节参数及机器人参数4课题背景及研究现状3 1步态分析3 3运动学分析3 51.课题背景及研究现状o 课题背景 经济的快速发展，交通工具增多，交通事故也随之增加，与此同时，随着人民生活水平的日益提高，心脑血管病的患病率也逐年上升，据统计，我国每年有大约175-200万脑中风患者在治疗后存在不同程度的肢体运动障碍。这类患者除了必要的手术和药物治疗外，正确、科学的康复训练对于肢体运动功能的恢复和提高也起到非常重要的作用，下肢康复机械应运而生。 现状o 国外现状 美日

2、等发达国家研究较早（上世纪60年代） 主要成就： 贝尔格莱德大学的外骨骼机器人（应用平衡算法） 美国Yobotics公司研制开发的单膝助力行走装置R oboKneeI 苏黎士联邦工业大学等研究开发Lokomat （基于跑步机模式的绳驱动步态训练机构） 日本筑波大学的机器人混合助力腿（HAL）等 o 国内现状： 国内研究较晚，成果主要集中在各高校。 主要成就： 清华大学研制的GRTS步行康复训练机器人 哈工大研制的步态辅助机器人 上海大学设计开发的一种四自由度外骨骼机器人等2.人因分析及设计要求o 人机界面 基本平面： 前向平面（矢状面） 侧向平面（额状面） 横向平面（水平面） 基本轴 ： 矢状

3、轴（前后方向） 额状轴（左右方向） 垂直轴（上下方向）o 下肢各关节活动范围： 髋关节： 前屈0150；后伸015；内收2030；外展3045；外旋4050；内旋4045 膝关节：屈 30，伸 180 （以大腿杆为x轴）设计要求 (1)合理设计系统的拟人化机构这包括机械结构和关节运动副的优化设计，运动自由度的分配和冗余自由度选择等 (2)机械材料选择(原则：安全、舒适、经济) (3)康复机械与患者的运动协调问题 (4)外骨骼步态规划和生成及运动稳定性问题 a.离线规划，在线校正:依据人体运动学统计数据进行步态规划，依靠执行器的控制来完成步态的生成。 b.使用已有的人体运动学统计数据实现步态；

4、让外骨骼自己跟踪和学习操作者的步态o 平地行走是下肢运动的最基本形式，人体正常的步态是指当一个健康成人用自我感觉最自然、最舒坦的姿态行进时的步态o 步态周期：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60(其中单侧肢体支撑期占40，双侧肢体支撑期占20)，摆动期占步行周期的40。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1 0 如下图：3.步态分析4.人体下肢关节参数及机器人参数o GBl0000-88根据人机工程学要求提供了我国成年人人体尺寸的基础数据。男（1860岁）女（1855岁）1 5 10 50 90 95 991 5 10 50 90 9

5、5 99 1.1 身高/mm1543 1583 1604 1678 1754 1775 1814 1149 1484 1503 1570 1640 1659 16971.2 体重/kg 44 48 50 59 71 75 83 39 42 44 52 63 66 741.3 上臂长/mm279 289 294 313 333 338 349 252 262 267 284 303 308 3191.4 前臂长/mm206 216 220 237 253 258 268 185 193 198 213 229 234 2421.5 大腿长/mm413 428 436 465 496 505 52

6、3 387 402 410 438 467 476 4941.6 小腿长/mm324 338 344 369 396 403 419 300 313 319 344 370 376 390选取大腿杆范围390-520mm，小腿杆300-420mmo 下肢各关节运动自由度 人体单侧下肢共有7个自由度，髋关节有3个自由度，膝关节和踝关节分别有2个自由度。本课题着重研究是各关节在前向平面（矢状面）内绕额状轴的旋转运动，为了充分锻炼患者的屈伸能力，选取的各关节屈伸值。 本课题主要研究的是下肢各关节的屈伸自由度（伸为正，屈为负）： 髋关节屈伸角度： -1530 膝关节屈伸角度： -600 （以小腿 杆为

7、x轴） 机器人下肢各关节屈伸度机器人参数的确定o 在设计制造康复机器人时，除了需考虑体积、重量等原因，每设计增加一个自由度都造成康复机器人制造成本的增加。因此需要根据实际的需要，对下肢各个自由度进行取舍，建立一个新的运动模型，使设计的人体下肢康复机器人在满足功能的前提下，最大限度的减少自由度。5.运动学分析o 下肢各体段质量及质心位置 人体下肢体段的质量分布和质心位置是人机系统的动力学分析是必不可少的参数，由于外骨骼式下肢康复机器人主要针对人体下肢提供动力补偿和协助，因此，需要了解人体下肢各环节的参数，根据CT 法，得出人体下肢各体段质量分布及质心位置分布图o 人体下肢各环节转动惯量 利用CT

8、法确定了转动惯量的回归方程式 式中： X1体重，kg X2身高，cm B0，B1，B2，二元回归方程系数22110iXBXBBJ环节环节惯性指标惯性指标 B0 0 B1 1 变量名变量名X1 1 B2 2 变量名变量名X2 2男性男性大腿大腿 Jx Jx-3705.377-3705.3774.2844.284 X X1 128.62128.621 X X2 2 Jy Jy-3664.899-3664.8995.5495.54928.07828.078 Jz Jz 65.270 65.2707.1657.165-1.461-1.461小腿小腿 Jx Jx-301.044-301.0442.990

9、2.9902.0122.012 Jy Jy-299.164-299.1642.9302.9302.0092.009 Jz Jz-17.776-17.7760.7920.792-0.033-0.033女性女性大腿大腿 Jx Jx-1926.934-1926.93425.37425.37410.33110.331 Jy Jy-1622.265-1622.26529.20029.2007.3217.321 Jz Jz 197.363 197.3639.5489.548-3.177-3.177小腿小腿 Jx Jx-621.885-621.8853.5783.5784.0444.044 Jy Jy-58

10、8.609-588.6093.8593.8593.7733.773 Jz Jz-15.166-15.1660.7490.7490.0000.000o 结合上表，选择身高为175cm体重为71kg的男性为例计算其大腿惯性指标为 =-3705.377+4.284*71+28.621*175kg kg.cm2=1607.462 kgcm2 =-3664.899+5.549*71+28.078*175 kg.cm2=1642.73 kgcm2 =318.31 kgcm2 22110 xXBXBBJ22110yXBXBBJ22110zXBXBBJ运动学角度分析o 康复机器人的运动学角度分析就是在已知杆件

11、几何参数的情况下，给定末端机构相对于基坐标系的位置和姿态，求使末端机构达到期望位置时所对应的髋关节和膝关节的角度变量o 在lr1，lr2和OA组成的三角形中，（令OA=x2+y2）利用余弦定理可得： 然后可以得到角qr2的余弦值）（2r2r1 r22r21 r22qcosll 2-llyxr2r122r21r222rll 2l -l -yxcosq）（）（0q180- -ll 2llyx-cosq2rr2r122r21r221 -2ro qr2有两个解（其中一个解由虚线表示），根据机构的实际情况可舍去一个解，得：），（xy2tan yxl 2l -lyxcos22r122r21r221 -）（o 由于 则）（）（），（180q0 yxl 2l -lyxcos-xytan2-2 qr122r122r21r221 -1r-2q1ro 下肢康复机器人控制方案 控制方案的好坏决定了控制系统整个性能的好坏，而控制系统性能很大程度上决定了下肢康复机器人的性能。可以说控制系统是下肢康复机器人的重要组成部分之一，机器人能够协助患者完成康复训练，就必须具有一个功能完善、操作简洁、灵敏和安全可靠的控制系统结论 本文结合国内外研究现状，分析下肢康复机器人系统的设计难点。并通过对