【下肢康复机器人结构设计11000字（论文）】

ⅠⅡ下肢康复机器人结构设计目录TOC\o"1-3"\h\u184391.绪论 .1工作原理分析当需要进行下肢康复的操作时，用户根据说明合理穿戴该下肢康复机器人外骨骼结构，下肢康复机器人其实就是一种通过高功率高密度的方式去驱动人类身体进行运动的一种机械装置，并且他不是一种刚性连接，它是通过一种柔和的方式去安装在人体的外部，帮助人类的肢体进行康复性的运动。[7]机械外骨骼动力驱动是一种非自锁性它能适应人肢体在运动过程中给他强加的某种转矩适当的转角，合理的角速度。通俗而言就是人们强力的扭转就能对抗提供动力的助力系统。通过查阅相关的资料可以知道，尽管人类的下肢的自由度是七，但是对人的步态影响最主要的是人在进行运动时的平面运动，该运动的自由度是三，并且这种自由度大部分是需要通过踝关节、膝关节以及髋关节共同来进行的，并且由于踝关节的影响非常的小，在设计的时候是可以将其进行忽略的。具体动作时由执行系统实现对结构本体中各个关节部件的动作输出控制，从而实现了机器人的动作，且这些动作实际上是由穿戴的患者的肢体动作包括施力的大小方向以及肢体的动作速率等指标反馈给传感器后，由控制系统对应实现的控制动作结果，因此，外骨骼机器人能够在最大程度上配合患者的动作提供最直接有效的辅助支撑，令装置的康复效果达到最大化。2.2步态分析下肢康复机器人其实就是一种通过高功率高密度的方式去驱动人类身体进行运动的一种机械装置，并且他不是一种刚性连接，它是通过一种柔和的方式去安装在人体的外部，帮助人类的肢体进行康复性的运动。并且针对有脑部神经损伤和中风的病人可以帮助他们进行自主的康复训练，提高健康能力。下图所展示的是正常人类进行行走的时候，脚在一个步态周期里面的具体运动情况，如下图2-1所展示的：图2-1步态周期2.3方案的选择该设计由一个下肢的康复机器人组成，该机器人的臀部和膝盖关节交替绑在臀部和膝盖关节上，通过弱化身体部位，身体可以承担一部分体重，减轻病人的病痛腿和身体重心的调节（重心打开和关闭），平衡设备是绳索上的承载力，它由绳索和绞盘组成，身体控制器官主要模仿人体的功能。肱二头肌导致下肢的每一个运动，关节是人体运动的核心力量，是分配运动承重能力，维持能量和促进运动的重要器官，长关节导致负最大负重。肌肉，能量供应减慢并最终导致身体完全麻痹，肌肉因关节运动而收缩，并且收缩得到恢复和保持，髋和膝关节是人体下关节的两个重要环节，关节的动力学特性包括两个基本部分：一个就是关节运动时候地幅度大小，另外一个基本原则就是如何实现幅度范围。对于这两个基本的原则也是本论文考虑的重点2.3.1自由度的选择对于人体的下部肢体的灵活性是非常的高的，并且在关节部分的运动时是非常复杂，对于下肢可以进行运动的关节主要是为髋关节、膝关节、踝关节这三个主要关节部位。[8]对于髋关节而言它是一种球窝关节，并且对于其的主要活动的方式大致有三种：第一种是可以进行前后的伸展运动；第二种是进行侧向的内转和外展；第三种则是可以对内部和外部进行一个扭转的运动。对于膝关节而言的话，它的主要活动方式则是有两种：一种是可以进行前后的伸展运动；第二种是进行侧向的内转和外展。对于下部肢体而言一共有四个自由度，那么如果想完美的对下部各个关节进行设计得出一个下肢康复机器人的话来说难度是非常的大。2.3.2基本参数的选取由于下肢康复机器人的详细运动学特性和人体的运动学特性是非常一致的，所以在进行设计的时候应该将人体的下部肢体关节的运动范围来作为参考进一步对下肢康复机器人的关节运动范围进行设计。[9]也就是说进行下肢康复机器人设计的时候对于它的运动范围应该与人体运动范围保持一定范围的一直，同时由于是进行的康复训练，患者的下肢机能比正常人还稍微虚弱一些，所以进行运动范围设计的时候可以考虑将范围比人体的运动范围降低一下，从而保证了患者进行康复训练时候的安全性能，那么本设计针对下肢康复机器人的设计的时候需要参考人体下部肢体的每一关节的运动角度，并且确定患者以及每一个关节在进行行走运动时候的最大值，对于具体的参考数值可看下表2-1.表2-1每个关节的运动范围（°）2.3.3驱动器的选取因为下肢康复机器人的应用场景与传统的工业机器人不同，他说要求的特点是对患者进行一个相对柔和，安全的康复训练过程，所以在进行下肢康复机器人驱动部分设计的时候是选择了直流伺服电动机，因为直流伺服电动机它在进行工作的时候噪音非常的小、振动的频率非常的低并且它的工作效率高，电流较小，不容易发热等优点非常的适合下肢康复机器人的驱动需求。3.机器人关键部件结构设计与计算3.1人体参数该部分是针对下肢康复机器人的关键部位进行设计与计算，因为下肢康复机器人是被穿戴到人体上的，[10]那么本设计中的机械设计的时候是要求去参考一下人体下肢的一些重要参数，并且在进行重要零部件选型和校核计算的时候，也要将这部分参数作为重要参考对象，具体的人体下肢参数可见下表3-1表3-1中国青年几何统计表数据通过参考上述人体下肢参数表，分析到由于本设计的下肢康复机器人是需要佩戴到人体下肢并且带动人体的下肢进行每个关节的运动，所以设计该下肢康复机器人的时候需要与人类进行行走运动时候的下肢想接近，同时还要考虑机器的灵活和运动角度，同时由于本次设计的下肢康复机器人是适用于下肢有障碍的人群所以在确定的运动参数的时候需要比正常人稍微低一些，确定的每一个关节的旋转角度如下：髋关节可以向前伸展45度，同时可以向后伸展为30度；膝关节的屈伸为80度。3.2各关节运动分析3.2.1膝关节的运动分析下图3-1所展示的是下肢康复机器人的膝关节进行运动时候的运动模型，[11]其中的L1为杆件端部的安装孔和关节轴线方向的长度；L2为大腿杆件部位的长度；L3是关节的中心位置到杆件中心位置的长度；L为杆件长度；θ为关节运动角度。图3-1膝关节机构运动学模型图中L1为110，L2为402，L3为171，=120°，通过下述公式可以的出L (1-1)通过计算可以得出，L的长度范围在350到500，同时行程在150.3.2.2髋关节的运动分析下图3-1所展示的是下肢康复机器人的髋关节进行运动时候的运动模型，其中的L1为杆件端部的安装孔和关节轴线方向的长度；L2为大腿杆件部位的长度；L3是关节的中心位置到杆件中心位置的长度；L为杆件长度；θ为关节运动角度。图3-2髋关节机构运动学模型图中L1为60，L2为340，L3为135，=120°，θ的范围为-30°到45°通过公式（3-1）可以的出L通过计算可以得出，L的长度范围在350到450，同时行程在100。3.3关节力矩分析通过静力学角度的分析以及计算对相关零件进行选择，同时因为本次设计的下肢康复机器人是属于医疗器械同时要求机械结构运动的时候是低速，[12]所以从静力学角度进行分析。图3-3力矩分析示意图图中：θ1、θ2、θ3：分别为髋关节、膝关节和踝关节的旋转角度C1、C2：分别是大小腿的质心L1、L2：分别是大小腿的长度、：分别是大小腿质心到相应关节距离。根据力矩方程 (3.2)故每个关节的力矩的方程如下： (3.3)在该式里面的m1和m2各自分别为质心位置的质量带下，由于患者佩戴了下肢康复机器人所以里面包括了人与机械的质量，同时力矩T按照上式（3.3）进行了计算，那么对于下面的计算主要是选取是每一个关节在承受力矩最大值的位置。3.4具体结构设计3.4.1关节机构的选择针对于关节结构的选择的时候，因为滚动轴承进行传动的时候有着消耗功率小，并且摩擦低，非常容易启动这些优点，所以可以确定每个关节的结构为旋转关节，这样可以很高效的去利用好驱动机构所作用的功，并且使得整体的体积变小。3.4.2连杆机构的选择在进行连杆结构的设计的时候需要考虑到连杆机构不光是需要进行传动而且它本身也是执行结构，同时如果设计出来的大腿连杆与小腿连杆机构的长度与患者实际的大小腿长度不一致的话，就会使得髋关节与膝关节的轴线不在同一条轴上，这样的一个弊端就在于，患者进行训练的时候人体下肢部分会与下肢康复机器人起到干涉现象，如果设计的下肢康复机器人的连杆机构与人体的大小腿相差非常大的话就会使得整个下肢康复机器人无法正常工作，所以本次设计在进行连杆机构设计的时候针对大小腿长度设计为可以调整长度的连杆机构（如下图所示），这样做的优点就在于：1可以使用与大部分患者群体，增大了康复机器人的使用范围2.患者进行训练的时候人体下肢部分不会与下肢康复机器人起到干涉现象图3-4可调节长度连杆机构3.4.3腰部结构设计对于腰部机构的设计的时候要清楚的了解到腰部机构的主要作用是帮助并且基于患者的腰部的一种链接，它可以帮助人体的下肢部分与下肢康复机器人相互链接，对于髋关节部分可以起到固定，同时当患者佩戴好下肢康复机器人在进行行走运动的时候，当一只脚抬起的时候也就是说当其出于摆动的时候，这一腿上的重量包括下肢康复机器人该部分的重量可以通过腰部机构去传递到另外一直支撑身体的腿上，从而降低了抬起的这只腿的不适感，并且在进行腰部结构设计的时候在后背处增加护腰装置，同时降低患者背部的不适感。如下图3-5是腰部实体效果图。图3-5腰部结构图3.5部分重要零件的设计与校核3.5.1轴承的选择及校核在该论文中对于轴承的设计它的主要承受力为径向力，初步选定为轴承6000，[14]因为该轴承的额定动载荷大小C为13.2KN，且寿命为15000h。[12]并且当量动载荷的最大值P为600N，转速n为60r/min，通过下式可以计算出该轴承的基本额定寿命： （3.4）所选轴承6000符合要求3.5.2连杆的计算及校核通过材料力学知识可以对大腿小腿杆件进行强度校核，因为其收到的变形形式为：拉伸压缩。故其强度条件是： （3.5）在此考虑到成本以及力学性能等条件，初步选定铝合金ZAlCu5Mn(ZL201)该材料的抗拉强度在295Mpa~335MPa并且=2其载荷N≤600N。强度条件符合。3.5.3双头螺柱的校核在进行下肢康复机器人设计的同时还需要考虑与外部辅助机构的连接，比如与外部框架的连接，此时需要对腰部上安装双头螺柱从而与外部框架进行链接，其主要受到轴向工作载荷F=600N，其拉伸强度条件为： （3.6）其中d1=28MPa，=250MPa可得：（3.7）故合格

4.驱动部件的计算与选型4.1驱动方案确定我们在设计过程中已经考虑并比较了不同的驱动器，还对不同的功能和应用方法进行了论述。一般的驱动元件包括各种直流电或步进电机，以及液压的电机气压、电气伺服阀等常见方式，其特点是既执行特定的动作又执行特定的力，但是我们需要根据工作的所有特征以及其应用范围，进行选定。针对机器人的驱动方式可分为以下几类：1.针对于气压驱动的话，该驱动方式通常的压力使用是在0.4-0.6Mpa。这种驱动方式的优点就在于气源获取非常的方便，并且整体的驱动系统拥有着缓冲的效果，而且它的成本不高，机构不复杂，同时可以在很多恶劣的环境中进行，但是缺点就是驱动装置的体积太过于庞大，并且因为空气具有可压缩性，所以会导致机器人在进行定位的时候精度不高。2.针对于液压驱动的话，该驱动方式通常的压力使用是在2-15Mpa，相对于气压驱动相互比较的话，它的体积是相对较小，并且进行工作的时候比较平稳，其最大的优点就在于液压驱动的调速比较方便简单，它可以在一定范围里面实现无级调速，但是它的缺点就是非常容易漏油，这一缺点非常会影响工作环境和工作的稳定性，并且污染环境，同时它是多用于输出力非常的大而且运行速度比较低的场景中。3.针对于电气驱动他的原理主要是通过很多种的电机在选型后，通过电机去输出力或者是转矩，可以直接驱动或者经过减速器后去驱动相应的机器人进行运动，在驱动元件中包括有：交流、直流伺服电动机、步进电动机。它的优点就在于控制起来比较方便，同时响应速度比较快，成本不高，驱动效率高等等。所以电器驱动已经成为在上个世纪末期开始后机器人设计时采用的驱动方式。因为下肢康复机器人的应用场景与传统的工业机器人不同，他说要求的特点是对患者进行一个相对柔和，安全的康复训练过程，所以在进行下肢康复机器人驱动部分设计的时候笔者是选择了直流伺服电动机，因为直流伺服电动机它在进行工作的时候噪音非常的小、振动的频率非常的低并且它的工作效率高，电流较小，不容易发热等优点非常的适合下肢康复机器人的驱动需求。4.2直流伺服电动的计算与选型1.针对运动速度的话，因为该设计是针对下肢康复机器人，它的应用场景是帮助患者进行康复训练，对于患者而言，他们的行走运动速度不会太快所以设定为25步/分，运动周期T为4.8秒，1=1.309rad/s。[13]当步态机构完成一个周期的时候，姿态机构相应的踏板会完成一个30度的来回运动，其规律为三角函数中的余弦函数，假设姿态机构的为Acos1t，那么通过运动学可以知道，它的步态运动为一半的周期，同时姿态机构也进行一半的周期，也就是60度(4.1)积分可得A=1.37rad/s2针对转矩而言的话，假设人体的重量为80KG，但是由于进行康复训练的时候，即患者进行步行运动，按人体重量的80%来定义一只脚撑地的承受力，并且脚掌作用距离连杆机构尾端是0.1m，连杆机构尾端的作用力F和脚掌作用在轴心的力臂一样，所以：(4.2)3.功率：(4.3)4.针对电机的扭矩设定的减速器减速比为43，同时相应总效率为=90%，有：(4.4)得到该电机的转矩T2=0.3435.电机的功率：(4.5)通过对很多厂商制造的直流伺服电机进行比较权衡后，认为瑞士的maxon公司生产的直流电机相对比较好，它的相对性能参数如下表4.1展示。通过上述的计算本次设计选择的电机为maxon公司生产的RE40中的148877，该电机额定功率为150W，同时他的优点就在于配备专门使用的行星齿轮减速器，而且相应的减速比也非常的全面表4.1maxonRE40的主要性能指标同时maxon公司生产的直流伺服电机都有相应的控制卡，这样在控制电机的时候有更加的方便了。

5.基于CREO软件下肢康复机器人建模设计5.1建模软件的介绍对于现在在我国软件建模市场上面常见的三维建模软件有：SolidWorks、Pro/E、Creo、UG、CAXA等一系列商业化软件，并且每个产品都有自己的独特发展历史和优异的特点，并且在设计、模块、操作以及二次开发的产品中都有各自的有点，并且Creo、SolidWorks、UG已经以其自身的强大功能和简介方便的用户操作界面在我国的三维建模市场取得了自己的一席之地.Creo是一款在目前中国建模市场上非常主流的的三维建模软件，因为它的用户界面非常的友好而且它的操作简单上手。本次三维建模使用5.0版本的Creo三维建模软件，该版本的Creo软件比较稳定，与前几个版本的Creo相比，功能更加齐全，按键清晰，使用更加方便，可以让建模更加高效。画出的三维图也更加清晰直观，用户体验更佳。Creo强大的处理能力也使得其逐渐成为三维图的主要处理方式。Creo强大的功能还包括可以使设计的三维建模可以一键转换成工程图，甚至能直接转换成CAD，为后续的CAD绘画零件图提供了很大的便利，这也是Creo流行的很大一部分原因。该软件还可以为后面的有限元分析打下良好基础。在三维软件设计中，先通过一系列的计算设计出各个零件所需要的尺寸，确定好零件需要的材料。[15]然后在三维建模中在平面中画出零件的形状，利用拉伸切除构造出零件的三维造型。在每个零件的三维造型后，利用装配图将零件组合在一起，添加装饰螺纹线，并在相应的部位打上通孔和沉头孔等，利用螺栓连接固定在一起。将所有的零件装配组合完成后，检查干涉。部分零件可采用软件自带的零件库中的国标零件。本毕业设计是基于三维软件Creo对下肢康复机器人进行三维建模，其中包括对各个零部件的实体建模然后在进行系统的装配。5.2下肢康复机器人的三维建模对于下肢康复机器人中的零部件的建模，主要是通过Creo三维建模软件进行一系列的拉伸、旋转、扫描等操作命令进行，因为具体的零部件的不同，其相关的绘制过程也是不一样的，在此处就不将零部件的建模过程一一阐述，下图5-1到图5-6所展示的包括：腿部机构、胯部机构、腰部机构、传动机构等模型。图5-1腰部结构图5-2连接结构图5-3胯部结构图5-4传动机构图5-5传动机构图5-6腿部图5-6腿部5.3下肢康复机器人的虚拟装配因为本次设计下肢康复机器人三维模型是通过基于Creo三维建模软件中进行整体零部件的装配，主要针对不同人体形态学上的比例尺寸进行相应穿戴式时候的调整，由于每一个人的腿部比例是不一样的所以进行设计的时候针对腿部设计的时候是可以有一个调整的空间的，在Creo三维建模软件中进行装配的时候首先保证的时候传动机构的完美啮合使得传动功能的实现，第二个就是相应的选择合适的穿戴比例去安装胯部、大腿部、小腿部机构的长度。整体的下肢康复机器人的虚拟装配图如下图5-7所示：图5-7整体装配图

总结目前人口老龄化已成为了国内的主要难题，对于这个特殊的群体我们需要更加无微不至，尽管现在医疗水平的急速发展使得这些老龄人口患心脑血管疾病的致死率大幅度降低但是依然会有将近百分七十的人口留下了不同程度的残疾这无疑会给患者和他的家人带了极大的心理负担和财富重压。本文针对现在医院、门诊或家庭等中小型医疗机构所设计的一种下肢康复机器人，能够实现辅助肢体运动有障碍的患者进行康复训练，因此本文研究的主要内容是：设计何种机构满足外骨骼结构的设计标准，设计何种机构可以独立自主的进行下肢康复训练。并且本文基于Creo三维建模软件对于下肢康复机器人的三维模型进行设计，选择并且设计相应下肢康复机器人模型中的相关零部件，对于本文的主体框架如下所示：通过查阅大量文献和搜集相关的资料去了解国内外针对下肢康复机器人的研究发展情况，和其相关的研究背景。通过学习相关的知识书籍和设计手册去理解下肢康复机器人的工作原理并且基于步态分析下确定下肢康复机器人的整体设计方案。通过理论计算的方式去对下肢康复机器人的关键部件进行结构设计，同时要参考实际的人体参数以及膝关节和髋关节的运动情况，对关节机构、连杆机构、腰部的结构、以及其他重要零部件进行设计、选择和计算校核，同时针对下肢康复机器人的驱动部件进行计算和选型。基于Creo三维建模软件对于下肢康复机器人的三维模型进行设计，并且针对设计好的零部件在Creo三维建模软件中进行相应的虚拟装配。

参考文献[1]王俊,杨振辉,刘海兵,遇光,唐