買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 1 摘 要 康復機器人技術則是近年來迅速發展的一門新興機器人技術，是機器人技術在醫學領域的新應用；目前康復機器人已成為國際社會研究的熱點之一。本課題主要研究的基于姿態控制步態康復訓練系統的設計。 本文介紹了下肢康復機器人國內外發展現狀和應用情況，進行了步態訓練機器人的總體方案設計、結構設計，和總體控制方案設計等；對步態訓練機器人進行三維建模，并對重要零件進行校核。本步態訓練機器人共有 7 個自由度，其中每一條機械腿上有 3 個關節（ 3 個自由度）模仿人體腿上的踝關節、膝關節、髖關節和一個用于減重的減重系統（包括 1 個自由 度）。此系統能 用于腦損傷、中風等病人的步態康復訓練，幫助病人更好地進行康復訓練，減輕他人的幫助，挺高效果 。 關鍵詞 ：康復訓練；機器人；步態 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 2 he is a is a in of on of in is a of so it a of of is on In of at a s on to a of of of a 3 to a a of be to of of 文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 3 目 錄 第 1 章 緒論 . 1 述 . 7 復機器人的國內外研究現狀 . 8 課題主要研究內容 . 14 第 2 章 總體方案設計與選擇的論證 . 15 態分析 . 15 案的選擇 . 18 由度的設計 . 20 本參數的選取 . 20 動器的選擇 . 21 節結構的選擇 . 21 桿結構的選擇 . 21 部結構設計 . 22 重機構 . 22 體結構設計 . 23 章總結 . 23 第 3 章 機械結構的設計與計算及驅動元件選型 . 24 體參數 . 24 關節運動學分析 . 24 關節的運動學分析 . 25 關節的運動學分析 . 25 關節的運動學分析 . 26 節力矩分析 . 27 體結構設計 . 28 節結構的選擇 . 28 桿結構的選擇 . 29 部結構設計 . 30 重機構 . 30 體結構設計 . 31 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 4 些零件的設計和校核 . 32 承的選擇及校核 . 32 缸的選擇 . 32 桿的計算與校核 . 33 軸的校核 . 35 頭螺柱的校核 . 36 感器的選取 . 36 重系統分析及相關計算 . 37 章小結 . 38 第 4 章 供氣與控制系統的設計 . 39 氣系 統的設計 . 39 氣回路設計 . 39 動元件的選擇 . 40 復 機器人的訓練方式 . 46 動自動控制方框圖 . 46 章小結 . 47 結 論 . 48 參考文獻 . 49 致 謝 . 52 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 5 目錄 第 1 章 緒論 . 1 述 . 7 復機器人的國內外研究現狀 . 8 課題主要研究內容 . 14 第 2 章 總體方案設計與選擇的論證 . 15 態分析 . 15 案的選擇 . 18 由度的設計 . 20 本參數的選取 . 20 動器的選擇 . 21 節結構的選擇 . 21 桿結構的選擇 . 21 部結構設計 . 22 重機構 . 22 體結構設計 . 23 章總結 . 23 第 3 章 機械結構的設計與計算及驅動元件選型 . 24 體參數 . 24 關節運動學分析 . 24 關節的運動學分析 . 25 關節的運動學分析 . 25 關節的運動學分析 . 26 節力矩分析 . 27 體結構設計 . 28 節結構的選擇 . 28 桿結構的選擇 . 29 部結構設計 . 30 重機構 . 30 體結構設計 . 31 些零件的設計和校核 . 32 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 6 承的選擇及校核 . 32 缸的選擇 . 32 桿的計算與校核 . 33 軸的校核 . 35 頭螺柱的校核 . 36 感器的選取 . 36 重系統分析及相關計算 . 37 章小結 . 38 第 4 章 供氣與控制系統的設計 . 39 氣系統的設計 . 39 氣回路設計 . 39 動元件的選擇 . 40 復機器人的訓練方式 . 46 動自動控制方框圖 . 46 章小結 . 47 結 論 . 48 參考文獻 . 49 致 謝 . 52 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 7 第 1 章 緒論 述 據報道，我國 60 歲以上的老年人已有 ，占全國人口的 11，到2050 年將達到 。 在老齡人群眾中有大量的腦血管疾病或神經系統疾病患者，這類患者多數伴有偏癱癥狀 1。近年由于患心腦血管疾病使中老年患者出現偏癱的人數不斷增多，而且在年 齡上呈現年輕化趨勢。同時，由于交通運輸工具的迅速增長，因交通事故而造成神經心痛損傷或者肢體損傷的人數也越來越多。在美國數以百萬計的有神經科疾病病史和受到過意外傷害的患者需要進行康復治療，僅以中風為例，每年大約有 600， 000 中風幸存者，其中的二百萬病人在中風后存在長期的運動障礙。 隨著國民經濟的發展，這個特殊群體已得到了更多人的關注，為了提高他們的生活質量，治療、康復和服務于他們的產品的技術和質量也在相應地提高。 隨著機器人技術和康復醫學的發展，在歐洲、美國和日本等國家，醫療康復機器人的市場占有率呈逐年上升的趨 勢，僅預測日本未來機器人市場， 2005 年醫療、護理、康復機器人的市場份額約為 250， 000 美元，而到 2010 年將上升到 1， 050， 000 美元，其增長率在機器人的所有應用領域中占據首位。 因此，服務于四肢的康復設備的研究和應用有著廣闊的發展前景 2。 康復機器人是康復設備的一種類型。康復機器人技術早已廣受世界各國科研工作者和醫療機構的普遍重視，其中以歐美和日本的成果最為顯著。在我國 康復醫學工程雖然得到了普遍的重視，而康復機器人研究仍處于起步階段，一些簡單康復器械遠遠不能滿足市場對智能化、人機工程化的康復機器人 的需求 ，有待進一步的研究和發展。 由于康復訓練機器人要與人體直接相連，來帶動肢體進行康復訓練，所以對驅動器的安全性、柔性的要求較高。 近年來，以氣動元件柔性驅動器逐漸引起人們的重視，在醫療康復器械領域中得到越來越多的應用。 本課題的研究目的是設計一種用于腦損傷、中風等病人的步態康復訓練買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 8 系統，幫助病人更好地進行康復訓練，減輕他人的幫助，挺高效果。 復機器人的國內外研究現狀 在對有運動障礙的老人或殘疾人進行治療和康復的過程中， 使用康復機器人可以解決好多問題：機器人的使用可以解決專業護理人員缺乏和醫療費用 昂貴的問題，可以避免由于訓練方法不科學和專業護理人員個人疏忽等主觀原因引起的對病人的傷害，可供病人在家或工作場所使用，使病人獲得更多的獨立生活能力，提高了病人的生活質量等。康復機器人是一種自動化醫療康復設備，它以醫學理論為依據，幫助患者進行科學而有效的康復訓練，使患者的運動機能得到更快更好的恢復。目前，康復機器人已經廣泛地應用到康復護理、假肢和康復治療等方面，這不僅促進了康復醫學的發展，也帶動了相關領域的新技術和新理論的發展。 康復機器人有兩種：輔助型康復機器人和康復訓練機器人。 輔助型康復機器人主要是幫助肢 體運動有困難的患者完成各種動作，該類產品有機器人輪椅、機器人護士、機器人假肢 、機械外骨骼 等。 康復訓練機器人的主要功能是 幫助患者完成各種運動功能的恢復訓練，該類產品有行走訓練、手臂運動訓練、脊椎運動訓練等。 康復機器人是康復醫學和機器人技術的完美結合， 康復機器人技術在歐美等國家得到了科研工作者和醫療機構的普遍重視，許多研究機構都開展了有關的研究工作，近年來取得了一些有價值的成果。對于中風、偏癱、下肢運動機能損傷等患者來說，下肢康復訓練機器人有著很好的治療效果。國內外許多研究機構都在這方面取得了不錯的研究結果。 下肢康復訓練機器人發展主要經歷了幾個階段。由早期的簡單步行訓練機發展到現在功能豐富、符合人體運動機理的下肢康復訓練機器人。早期發展的下肢康復訓練系統是借助于跑步機、懸吊系統等幫助患者進行運動訓練，此種產品結構簡單、價格便宜，但訓練過程中必須有專業人員的幫助，而且并不符合人體運動機理，還不能稱為康復訓練機器人，只能是一種半自動的康復訓練機械，如圖 文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 9 圖 示。圖 的步行訓練機，它的功能單一、價格便宜，而且需要在專業護理人員的幫助下進行康復訓練，這種機械對下肢病情比較輕的病人較合適。 圖 行訓練機 3 圖 掛式步行訓練機 4 隨著機器人技術和康復醫學的發展，人們對人的行走步態有了比較清楚的認識，開發出了一些符合人體康復需要的產品。 德國柏林自由大學 (展了腿部康復機器人的研究 5，并研制了 康復機器人樣機 (圖 瑞士蘇黎士聯邦工業大學 (腿部康復機構、走步狀態分析方面也取得了一些成果，在漢諾威 2001 年世界工業展覽會上展出了 名為 康復機器人模型。 器人 主要由步態矯正器、先進的體重支持系統和跑臺組成。 器人 以使用者為根本，通過對機器人的行為、耐心、合作及運動功能進行評估 ,建立了一種更為有效的治療方式，即：機器人先偵測使用者的運動，并且跟隨使用者的運行軌跡而不是強制使用者按照預定的軌跡運動，通過機器人的自適應功能，來滿足使用者的不同需求 ，它可以調整訓練參數以適合不同患者的需要 6。 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 10 圖 康復機器人 圖 器 人 德國柏林的 究所研制的 過一個可編程控制的腳踏板來帶動患者實現步態的軌跡模擬，這個腳踏板由直線電機帶動實現往復直線運動，腳踏板支撐部分類似于二自由度機械臂，由兩個伺服電機驅動 7(圖 圖 1.5 統在試驗中 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 11 美國加州大學伯克利分校的科學家研制出一種機器人稱為 伯克利末端外骨骼 （ 8， 括可以牢牢地固定在使用者腳上但又不會和使用者摩擦的金屬支架， 以及用來承載重物的背包式外架和動力設備等，這種機器人除了可以幫助正常人增加負載能力外還可以幫助下肢殘疾的病人行走，一定程度上恢復下肢功能 (圖 圖 本筑波大學 制出了世界上第一種商業外骨骼機器人 (9(圖 準確地說，是自動化機器人腿： 混合輔助腿 。這種裝置能幫助殘疾人以每小時 4公里的速度行走，毫不費力地爬樓梯。除 合輔助腿 外，日本還研制成功了一種全身性外骨骼機器 人。神奈川理工學院研制的 動力輔助服 9(圖 使人的力量增加 用肌肉壓力傳感器分析佩戴者的運動狀況，通過復雜的氣壓傳動裝置增加人的力量。這種裝置最初是為護士研制的，用來幫助她們照料體重較大或根本無法行走的病人。現在已經有殘疾人在這種機器人的幫助下實現了登山運動。 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 12 圖 圖 國 據活動依賴神經系統的可塑性，量化和評 估模式肌電圖在步態等方面的作用，建立數學模型模擬的感覺運動障礙。圖 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 13 圖 在我國，康復醫療工程已經得到了普遍重視，康復訓練機器人廣闊的應用前景將推動康復機器人技術的進一步發展。 我國對康復機器人的研究起步比較晚，輔助型康復機器人的研究成果相對較多，康復訓練機器人方面的研究成果則比較少。清華大學在國內率先研制了臥式下肢康復訓練機器人樣機在這項成果中他們采用了虛擬現實技術 10。哈爾濱工程大學在康復機器人方面也取得了不錯的成果。 哈爾濱工程大學研 制的下肢康復機器人 可以模擬正常人行走的步態、踝關節的運動姿態以及重心的運動規律，帶動下肢做行走運動，實現對下肢各個關節的運動訓練、肌肉的鍛煉以及神經功能的恢復訓練。通過獲取腳的受力狀態、腿部肌肉狀態和下肢關節狀態等人體的生物信息，協調重心控制系統和步態系統的運動關系，使之與人體運動狀態相協調，獲得最佳訓練效果。圖 圖 示分別為哈爾濱工程大學研制的臥式下肢康復機器人和基于步態姿態控制的下肢康復機器人系統 11。 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 14 圖 式下肢康復機器人 圖 肢康復訓練機器人 課題主要研究內容 本文 基于姿態控制步態康復訓練系統的設計 的研究目的是設計出一種可以輔助下肢有運動功能障礙的老人或殘疾人進行功能恢復訓練的康復機器人，工作重點是機器人機械本體的結構設計，要考慮安全性、可靠性、柔順性， 同時進行了 氣動控制系統的 設計 。課題內容主要包括： 括人體行走的步態、自由度的設計、基本參數的選取、整體結構設計等。 括姿態控制結構設計和減重結構設計。 器的供氣控制系統的設計。 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 15 第 2 章 總體方案設計與選擇的論證 態分析 下肢康復機器人是對有腦損傷、中風等病人進行主動康復訓練的自動化機械裝置。它可以幫助患者進行運動機能恢復性訓練，進行主動式步態訓練。 正常人在行走時腳在一個步態周期內的運動情況如圖 示 12。 圖 態周期 1個步行周期分為兩個時期，支撐期和擺動期。支撐期是當腳和地面接觸的時間，它占了一個步行周期的 62%。擺動期是腳在空中的時間，它占了一個步行周期的 38%。足跟接地即進入支撐期，足趾離地進入擺動期。支撐期占步 行周期 62%(其中單側肢體支撐期占 37%，雙側肢體支撐期占 25%)，擺動買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 16 期占步行周期的 38%。雙側肢體支撐期中包括預承重期和擺動前期，各占步行周期 12%。各時期劃分及有關具體內容如下 :(l)雙側肢體支撐期。為雙足著地、由雙側肢體支撐體重的時期，又分為被測下肢在前的 前足著地雙足支撐期 (預承重期 )和被測下肢在后的 后足蹬地雙足支撐期 (擺動前期 )2個時期。預承重期是從被側足足跟著地至對側足趾離地的時期 ;擺動前期是從對側足足跟著地至被側足足趾離地的時期。一側足的預承重期即為對側足的擺動前期。 (2)單側肢體支 撐期。僅由被測足承擔體重的時期，即從對側足足趾離地至對 側足足跟著地的時期，也是對側肢體擺動期。 (3)擺動期。被測足不接觸地面 的時期，即從被測足足趾離地至同側足跟著地的時期，也是對單側肢體支撐 期。 步態各重要階段動作 : (1)腳后跟受 :一般的步態歷程，最開始的動作為右腳接觸到地面的瞬間，也就是后腳跟剛與地面接觸的動作； (2)前腳完全承載 :在腳后跟受力后，腳掌漸漸貼附地面，直到腳掌完全貼合地面，此刻即為前腳完全承載； (3)支撐段中期 :當右腳完全程載后，左腳開始擺動， 擺動后右腳瞬間的動作即為支撐段中期； (4)腳后跟離地 :左腳擺動過右腳后，右腳后跟離開地面的動作成為腳后跟離地； (5)腳指離地 :右腳后跟離地后，緊接著腳尖離地，此時即為右腳離開地面的瞬簡，我們稱之為腳指離地，由于它是右腳擺動前的動作，所以也稱為預先擺動； (6)擺動中期 :右腿擺動過左腿的瞬間動作，此時的動作為支撐段中期 。 在一個步態周期的各個時間點，各個關節的角度和所受到的力矩不同。下面從圖 示了一個 75人以 s 的步行速度在平地上走時， 髖關節、膝關節、踝關節三處關節在一個步行周期內不同階段的轉角和買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 17 力矩變化 131415。 圖 行周期內踝關節的角度變化 圖 關節力矩變 化 由圖 120N，角度范圍為 15 。 由圖 0N，角度范圍為 0 。 由圖 80N，角度范圍為 30 。 為了模擬人體行走的正常步態，更科學合理有效的進行下肢康復訓練，所設計的康復機器人 下肢各關節的運動（角度、力矩）和人體行走時關節的運動（角度、力矩）應該近似。為本設計就是根據這個原則進行設計的。 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 18 圖 關節的角度變化 圖 關節的力矩變化 圖 關節角度變化 圖 關節力矩變化 案的選擇 本設計的主要工作是設計出一個下肢有六個自由度 （下肢每一條腿有 3個自由度） 的康復機器人及其相應的框架和減重機構（一個自由度），然后綁在人腰部和下肢上，分別帶動髖關節、膝關節和踝關節的運動，從而訓練相應部位的 肌肉，幫助使用者恢復下肢的運動功能，機構模型如圖 由減重機構、姿態控制機構、運動平板等組成。 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 19 減重機構可以承擔患者的一部分體重，減輕病腿的負荷，還可以調節人體的重心上下浮動。減重機構在人體行走時提供的是一個恒力，它由一個氣缸通過滑輪驅動。 運動平板通過電機驅動，能調節速度，使適應人體行走的不同速度需要。 姿態控制機構主要模仿人體下肢關節的功能結構。由氣缸驅動的仿人體下肢帶動人體下肢運動。關節是人體運動的樞紐，是傳遞載荷、保持 能量、協助運動的重要器官。關節長期制動，會使肌肉的破壞負最大載下降，能量儲存也會明顯減少，最終會導致肢體的完全癱瘓。用關節運動來帶動肌肉進行收縮運動，可以恢復和保持肌肉的收縮功能。髖肩關節、膝關節、踝關節圖 器人的 功能 模型 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 20 是人體下肢關節中的三個主要關節。 關節的運動學特征主要包括兩部分：一是關節的活動幅度，二是如何達到這個活動范圍。本設計就是根據這個原則進行的。 由度的設計 人體下肢的靈活度很高，關節比較復雜。下肢運動關節主要包括髖關節、膝關節、踝關節 3 個部分。髖關節是球窩關節，它的活動形式有 3 種，分別是向前伸 展 / 向后伸展（ 、側向內轉 / 外展（ 和向內外扭轉（ 膝關節有向前伸展 /向后伸展（ 側向內轉 /外展（ 種活動形式。踝關節有背 /跖屈（ 側向內轉 /外展（ 向內外扭轉（ 3 種形式的運動。每一條腿有 7 個自由度，想要設計出一個能夠完成下肢各個關節的康復 運動的機器人非常難。考慮到有些關節運動消耗的 能量小和結合 康復醫學的相關知識，確定 3 個自由度：髖關節的向前伸展、向后伸展，膝關節的向前伸展、向后伸展，踝關節的背曲和跖曲。總體結構有兩條腿和一個減重機構共 7 個自由度。 本參數的選取 下肢康復機器人的運動學和人體的運動學相近，因此人體下肢關節的運動范圍決定了下至康復機器人的關節運動范圍。下肢康復機器人的關節運動范圍至少要和人體行走時關節范圍一致。為了安全，機器人的關節 運動范圍一般要小于人體關節運動范圍的最大值。 參考人體下肢各關節的運動角度，結合本設計的使用者是下肢需要康復的患者和各關節在行走狀態