可編輯修改可編輯修改精品文檔精品文檔摘要康復機器人技術則是近年來迅速發(fā)展的一門新興機器人技術，是機器人技術在醫(yī)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。本課題主要研究的中風病人行走輔助機構。Pro/EPro/E關鍵詞：中風行走輔助機構康復ABSTRACTTherehabilitationrobottechnologyisanewrobottechnologydevelopedrapidlyrecently,whichisanewapplicationinmedicalfieldsofrobottechnology.CurrentlytheresearchonrehabilitationrobothasbeenoneofthefocusesintheInternationalSociety.Therehabilitationrobottechnologyisasynthesisofmanysubjects,whichcoversmechanics,electronics,controlandrehabilitativemedicineandsoon;ithasbeenatypicalrepresentationofthemechatronicsresearch.Themainresearchofthispaperisbasedontheattitudecontrolrehabilitationtrainingsystemdesign.Inthispaper,lowerextremityrehabilitationanddevelopmentofrobotapplicationsathomeandabroad,lowerextremityexoskeletontrainingrobot'soverallprogramdesign,structuraldesign,designandoverallcontrol;gaittrainingontherobotforthree-dimensionalmodeling,andimportantpartstoTherobotgaittraininghasatotaloffivedegreesoffreedom,eachofwhichamechanicallegjointshaveDOF)toimitatehumanknee,hipandaweightreliefforweightreliefsystem(includingadegreeoffreedom).Thesystemcanbeusedforbraininjury,stroke,andtohelppatientsbetterrehabilitationtraining,andmeetstheneedsofdifferentgroupsofpeople.Keywords：rehabilitationtraining robot lowerextremityexoskeletons目錄摘要 IABSTRACT II第一章緒論 1下肢行走輔助機構研究背景 1中風病人行走輔助機構研究目的和意義 1病人行走輔助機構研究概況 2國外研究發(fā)展概況 2國內研究發(fā)展概況 6存在問題 9論文選題意義及研究內容 9第二章人體下肢運動分析 11人體下肢解剖作用 11下肢主要關節(jié)特征 12步態(tài)分析 14第三章 橢圓機設計 15基于機械設計原理軸的設計（包括套筒的設計，軸承的選擇） 15軸Ⅰ的結構設計 15軸Ⅱ的結構設計 16軸Ⅲ的結構設計 18螺母的選擇及其主要尺寸 19橢圓機的人機工程設計 19橢圓機的簡介及其設計要求 19人體尺寸的選擇 20踏板間距和踏板大小的確定 22外觀及色彩設計 22第四章人體負重裝置 24包臀和抱腰的設計 24負重機構機架設計 24負重機構的平衡塊的設計 25第五章Pro/E建模 26軸的三維模型形成 26軸承的三維模型形成 27可編輯修改墊圈的三維模型形成 28螺母的三維模型形成 29踏板的三維模型形成 30底座及其連接部分三維模型的形成 30軸連接三維模型形成 31桿連接部分三維模型的形成 32軸三維模型的形成 33桿連接三維模型的形成 33負重機構三維模型 34橢圓機總裝配圖的三維模型 35第六章結論 36參考文獻 37精品文檔可編輯修改可編輯修改精品文檔精品文檔第一章緒論下肢行走輔助機構研究背景中風[1]是一種非常嚴重的記性（短期）時間，因腦部的突然供血中斷受損150055050065（法國、德國、意大利、英國和日本）100,0002141.9%。[2]在中國（from2002who1,652,885[3]。中風后遺癥中的偏癱，造成平衡功能障礙，步態(tài)不穩(wěn)，一側肢體肌力減退、75%的中風幸存者，并足以減少他們的就業(yè)能力甚至正常日常生活能力。中風病患者多為老年人，大部分已經(jīng)沒有工作能力，傷病的出現(xiàn)對患者及家庭都造成了殘酷的打擊，伴隨而來的是高昂的醫(yī)療費用，以及對家庭、社會造成的負擔。為此，世界各國都投入了大量的人力、物力、財75%的中風幸存者，并足以減少他們的就業(yè)能力甚至正常日常生活能力。中風病患者多為老年人，大部分已經(jīng)沒有工作能力，傷病的出現(xiàn)對患者及家庭都造成了殘酷的打擊，伴隨而來的是高昂的醫(yī)療費用，以及對家庭、社會造成的負擔。為此，世界各國都投入了大量的人力、物力、財容成立康復研究的重點和熱點。中風病人行走輔助機構研究目的和意義從而不受任何束縛，給這些病人帶來新的希望。病人行走輔助機構研究概況可以更好的幫助他們正常生活。國外研究發(fā)展概況Berkeleylowerextremityexoskeleton，BLEEX，如圖所示。該裝置目前已經(jīng)研制出兩代下肢主力外骨骼，目的是通過在BLEEX7DOF，其中髖關節(jié)3DOF，膝關節(jié)1DOF，踝關節(jié)3DOF，另外在腰帶中部增加1DOF40可編輯修改50322伯克利下肢外骨骼負重裝置BerkeleylowerextremityexoskeletonAdamZoss,H.Kazerooni,AndrewChu.OntheMechanicalDesignoftheBerkeleyLowerExtremityExoskeleton(BLEEX),2005IEEE/RSJConferenceonIntelligentRobotsandSystem,August,Edmunton.2005,3465-3472eLEGS電池提供動力外骨骼系統(tǒng)，這種外骨骼系統(tǒng)可以幫助截癱患者擺脫輪椅，自由行走。“eLEGSeLEGSeLEGS軌跡是以從人的自然步態(tài)收集的數(shù)據(jù)為基礎的(大約肢體角度，膝蓋彎曲程度，腳趾間隙)，在一個步伐中，髖關節(jié)擺動，膝蓋彎曲。在每個腳跟和腳掌處的壓精品文檔可編輯修改速度可達時速精品文檔可編輯修改3公里HULCHULC使用起來更方便。在“eLEGS”外骨骼上，有一個粘扣帶，一個背包式的夾子和電子外骨骼系統(tǒng)eLEGSeLEGS BerkeleyRoboticsandHumanEngineeringLaboratory.Retrieved29January2012ExoskeletonBerkeleyBionics .Retrieved29January2012.Medical公司阿密特·戈夫爾(Amit Goffer)主持研究的一套康復醫(yī)療下肢助動外骨骼它可幫助下身麻痹患者(即腰部以下癱瘓的人)站立行走和爬樓梯如圖所示為“ReWalk”下肢步行助力腿。“ReWalk”由電動腿部支架、身體感應器和一個背包組成并需要一副拐杖幫助維持身體平衡背包內置有計算機控制系統(tǒng)和蓄電池。使用者可以先用遙控腰帶選定某種設置，如站、坐、走、爬等，然后向傾，激活身體感應器來啟動裝置。精品文檔可編輯修改ReWalkerReWalkerassistleg1999HAL-320084200811比如機械加工方面、修理等等。由從結構來看，它由鞋子，框架，鞍狀車座三部6DOF，1DOF。采用精品文檔可編輯修改本田行走輔助支撐系統(tǒng)HondawalkingassistdevicewithbodyweightsupportsystemHondaUnveilsExperimentalWalkingAssistDeviceWithBodyweightSupportSystem,November7,2008HondatoShowcaseExperimentalWalkingAssistDeviceatBARRIERFREE,April22,2008尹軍茂，穿戴式下肢外骨骼結構分析與設計，2010:16-19國內研究發(fā)展概況點都有所不同。精品文檔可編輯修改關節(jié)處，通過控制髖關節(jié)和膝關節(jié)電機的協(xié)調轉動完成步行動作。Walkerforparaplegicpatients上海大學研究了一種步態(tài)支具用于下肢行走康復，如圖1.10所示，屬于外骨骼結構形式。每支腿具有2個自由度，分別對應著人的髖、膝關節(jié)的屈伸，力為常人的步態(tài)軌跡，同時實現(xiàn)減重控制，仿真結果驗證了系統(tǒng)的有效性。精品文檔可編輯修改下肢康復自動步態(tài)矯正器Lowerlimbrehabilitationautogaitappliance劉富強，行走輔助機器人研究，哈爾濱工業(yè)大學博士論文，2012：16-212004年開始，中國科學院合肥智能機械所的余永、葛運建等以助力為目標開展了下肢步行助力外骨骼的設計研究。如圖1-101DOF轉動，1DOF1DOF4個伺服電機驅動。助力腿沿矢狀面運動的髖關節(jié)及膝關節(jié)為主動關節(jié)，整套助力機器人系統(tǒng)由以上42精品文檔可編輯修改中科院研制穿戴主力腿WearableExoskeletonDevelopedbyChineseAcademyofScience

浙江大學下肢外骨骼ExoskeletonDevelopedbyZJU浙江大學研制的下肢助力機器人有8DOF，4DOF（髖關節(jié)2DOF，膝關節(jié)1DOF，踝關節(jié)1DO。助力腿沿矢狀面運動的髖關節(jié)和膝關節(jié)為主動關節(jié)，由4安裝有位置傳感器，足底安置了一維力傳感器以感知機器人的運動狀態(tài)。人已成功用于科學研究和市場推廣。我國相關科研院所的研究也取得了部分成果，為進一步的研究和開發(fā)打下了一定的基礎。存在問題很多的文體。精品文檔可編輯修改可編輯修改精品文檔精品文檔殘的使用中，平衡性要求非常高。以及更合適的能源。價格問題。這類輔助器械造價昂貴，普通用戶難以承受價格，前面提及到Rewalker因此普及率以及性價比都非常的重要。斷威脅到老年人的生活，因此中風病人行走輔助機構在我國具有很大的市場。經(jīng)上面分析，老年人的下肢輔助器械將進入重要的發(fā)展周期中。論文選題意義及研究內容我國健身器材產業(yè)的飛速發(fā)展。CAD第二章人體下肢運動分析下肢康復機器人是為人體下肢設計,而且與人體直接接觸。所以在設計時,首先應考慮其舒適性,而舒適性的優(yōu)劣體現(xiàn)在其擬人化結構的優(yōu)劣。因此在進行結構設計前,必須先對人體下肢的生理結構、運動特性以及康復理論進行研究。選擇關節(jié)類型,同時在結構上要求盡量的簡單,重量輕。所以,本課題重在設計出全工作的人體下肢康復機器人。人體下肢解剖作用要研究下肢，先建立參考坐標系及基本平面作分析。解剖學中規(guī)定了5組動平衡的作用,橫斷面內的自由度應用于步態(tài)轉彎時,因此,冠狀面、橫斷面內的的運動,以便使設計更能符合人體的正常結構特點,使下肢運動更符合人體的正常步態(tài)達到更好的康復訓練效果。可編輯修改下肢主要關節(jié)特征（股骨（脛骨和腓骨（趾骨）形成三個主要關節(jié)，分別是髖關節(jié)、膝關節(jié)、踝關節(jié)。通過對人體下肢運，膝關節(jié)一個自由度（1DOF，踝關節(jié)具有屈伸、內收外展和內旋外旋三個自由度（3DOF。精品文檔可編輯修改牛彬.可穿戴式的下肢步行外骨骼控制機理研究與實現(xiàn)[D].浙江大學碩士學位論文,200605內，髖關節(jié)可做屈/伸運動（0°~135°、0°~15、控制平衡的外展/內收運動（0°~30°、0°~25°）和改變不行方向的外旋/內旋運動（0°~90°、0°~70）3DOF。脛骨不僅可以圍繞膝關節(jié)做后屈伸運動（-3°~13°。還可以做內旋、外旋運動。但由于這個關節(jié)上用于加強的韌帶多而強，因此內旋/外旋運動涌動幅度不1DOF。精品文檔可編輯修改0°~200°~25°，但運動3DOF。步態(tài)分析精品文檔可編輯修改可編輯修改精品文檔精品文檔5cm的垂直移動。第三章 橢圓機設計基于機械設計原理軸的設計（軸承的選擇）軸Ⅰ的結構設計2-1A B C D E圖3-1軸Ⅰ根據(jù)軸向定位的要求確定各段軸的長度、直徑ABABl =25d=10AB

=15d=M10，左端螺紋0.545°。②選擇滾動軸承。因為軸承只承受徑向力的作用，故選用深溝球軸承（GB/T276-1994）[7]，參照工作要求并根據(jù)dBC

=17㎜，由軸承產品目錄中選取軸承代號6003，其尺寸為dDB=17㎜35㎜10㎜，故BC段軸，d =17㎜。BC③右端滾動軸承采用軸肩進行軸向定位。由軸肩高度一般為h=（0.07~0.1）d，取系數(shù)為0.1，因此，取dCD

=20.4㎜。DE（類似螺栓頭）lDE如圖3-2所示。

=5dDE

=30㎜，其端面具體尺寸圖3-2軸Ⅰ端面尺寸⑤因為軸所裝的位置左右兩擋板的距離為145㎜，擋板?度為4㎜，所以取軸肩段lCD

=5㎜。⑥為使軸承所裝位置對稱以及與其他零件的配合，取lBC

=40㎜。0.50.545°。較小的角度內轉動，故兩軸承間套筒的長度lT1

=（145+4-10-10-10-10）㎜=109㎜，內徑d1

=17.5d2

=22.5（滿足配合要求；與擋板配合端套筒的長度lT2

=10-4=6d1

=17.5d2

=22.5㎜。軸Ⅱ的結構設計3-3A B C D E圖3-3軸Ⅱ根據(jù)軸向定位的要求確定各段軸的長度、直徑ABABl =15d=5AB

=10d=M10，左端倒螺紋0.545°。②選擇滾動軸承。因為軸承只承受徑向力的作用，故選用深溝球軸承（GB/T276-199，參照工作要求并根據(jù)dBC

=17㎜，由軸承產品目錄中選取軸承代號6003，其尺寸為dDB=17㎜35㎜10㎜，故BC段軸，d =17㎜。BCh（0.07~0.1）d，取系數(shù)為0.1，因此，取dCD

=20.4㎜。④取右端DE段軸（類似螺栓頭）lDE如圖2-4所示。

=10dDE

=30㎜，其端面具體尺寸圖3-4軸Ⅱ端面尺寸⑤因為軸所裝的位置左右兩擋板內側間的距離為45㎜，擋板?度為4㎜，所以取軸肩段lCD

=5㎜。⑥為使軸承所裝位置對稱以及與其他零件的配合，故取lBC=40㎜。

（45+8-10-4-1）0.50.545°。較小的角度內轉動lT1

=（45+8-10-10-10-10）㎜=13㎜，內徑d1

=17.5d2

=22.5（滿足配合要求；與擋板配合端套筒的長度l =10-4=6dT2 1

=17.5d2

=22.5㎜。軸Ⅲ的結構設計3-5A B圖3-5軸Ⅲ

C D E根據(jù)軸向定位的要求確定各段軸的長度、直徑ABABl =15d=5AB

=10d=M10，左端倒螺紋0.545°。②選擇滾動軸承。因為軸承只承受徑向力的作用，故選用深溝球軸承（GB/T276-199，參照工作要求并根據(jù)dBC

=17㎜，由軸承產品目錄中選取軸承代號6003，其尺寸為dDB=17㎜35㎜10㎜，故BC段軸，d =17㎜。BCh（0.07~0.1）d，取系數(shù)為0.1，因此，取dCD

=20.4㎜。DE（類似螺栓頭）lDE如圖3-6所示。

=5dDE

=30㎜，其端面具體尺寸圖3-6軸Ⅲ端面尺寸⑤因為軸所裝的位置左右兩擋板內側間的距離為96㎜，擋板?度為4㎜，所以取軸肩段lCD

=5㎜。⑥為使軸承所裝位置對稱以及與其他零件的配合，故取lBC

=40㎜。0.50.545°。較小的角度內轉動lT1

=（96+8-10-10-10-10）㎜=64㎜，內徑d1

=17.5d2

=22.5（滿足配合要求；與擋板配合端套筒的長度l =10-4=6dT2 1

=17.5d2

=22.5㎜。螺母的選擇及其主要尺寸由于軸端的螺紋d6170D=M10，表面不經(jīng)處理。橢圓機的人機工程設計橢圓機的簡介及其設計要求橢圓機是利用人站立在踏板上，雙手緊握把柄，身體挺直，通過手臂曲伸及腳踏板反復的橢圓形運動達到鍛煉的目的。通過橢圓機的鍛煉可以增強肘關節(jié)、膝關節(jié)的柔韌性，促進血液循環(huán)，增強心肺功能，發(fā)展人體上、下肢及腰部肌群的力量。橢圓機的基本設計要求為：橢圓機的結構尺寸符合鍛煉者的人體尺寸；舒暢；橢圓機的運動負載符合力學原理。除了上述運動功能設計要求外，還有外形美觀、符合運動心理學等設計要求。人體尺寸的選擇根據(jù)表2-1可知中國六個區(qū)域人體尺寸相差不大，故設計的橢圓機尺寸應滿18～60組的第95百分位數(shù)和女性18～55歲年齡組的第5百分位數(shù)，作為尺寸上下限的依據(jù)，它考慮了絕大多數(shù)的使用群體。表3-1中國六個區(qū)域人體尺寸的均值和標準差東北、華北西北東北、華北西北東南華中華南西南標標標標標標項目均均均均均均準 準 準 準 準 值 值 值 值 值 值差 差 差 差差 差體重648.2607.6597.7576.9566.9556.8男/㎏（18～60身高/㎜169356.6168453.7168655.2166956.3165057.1164756.7歲）胸圍88855.588051.586552.85349.85149.85548./㎜0223體重557.7527.1517.2506.8496.5506.9女/㎏（18～50身高/㎜158651.8157551.9157550.8156050.7154949.7154653.9歲）胸圍84866.483755.983159.82055.81957.80958./㎜8868表3-2我國成年男女人體部分功能尺寸（單位：mm）男（18～60歲）女（18～55歲）測量項目PPPP PP550955 5095坐姿前臂手前伸長416447478383 413442坐姿前臂手功能前伸長310343376277 306333坐姿上肢前伸長777834892712 764818坐姿上肢功能前伸長673730789607 657707踏板間距和踏板大小的確定可編輯修改圖3-7踏板示意圖35015030形狀如圖3-7所示。外觀及色彩設計產品給人的第一印象中，色彩占80％，造型占20％。熟悉產品之后，兩者各占50％或明朗、愉快，或沉悶、壓抑，影響人的情緒，產生冷暖感、興奮感、平靜感、輕重感、大小感與疲勞感等，進而影響產品功能的發(fā)揮和使用積極性。精品文檔可編輯修改讓人感到平靜、舒服、輕松，不會讓人感到沉重、壓抑以及影響人的情緒等。精品文檔可編輯修改第四章人體負重裝置負重裝置用于減輕病人運動時下肢的壓力，中風偏癱病人的下肢缺乏力量，即使經(jīng)過了大量的物理治療，但是效果還是不理想。根據(jù)這種情況，有必要在輔助機構上加上負重機，讓病人康復有一個前序漸進的過程，以達到訓練的結果。因此選用懸掛式負重裝置。包臀和抱腰的設計包臀和抱腰設計的要求是能將人體包裹住，并且使人保持身體平衡。如圖4.1。圖4.1包臀和抱腰機構負重機構機架設計500kg4.2。精品文檔可編輯修改圖4.2負重機構機架的設計負重機構的平衡塊的設計10（10kg，根據(jù)不同的需4.3。圖4.3平衡塊的設計精品文檔可編輯修改第五章Pro/E建模Pro/ENGINEER是將若干簡單形體按照一定的相對位置進行堆積或挖切形成的。實體形成過程。軸的三維模型形成因為橢圓機所用到的五根軸的基本外形相似，在此選擇軸Ⅱ作為代表Pro/ENGINEER軸Ⅱ的基本參數(shù)l =15㎜，dAB

=10㎜；lBC

=40㎜，dBC

=17㎜；lCD

=5㎜，dCD

=20.4㎜；l =5DE㎜，dDE

=30㎜。其中螺紋部分l

=13㎜。其簡圖如圖3-1所示。螺紋A B C D E圖5-1軸Ⅱ示意圖三維模型建立在Pro/ENGINEERzhou1。精品文檔可編輯修改Pro/ENGINEER中的“螺旋掃描切口”命令，草繪旋轉軸和掃描軌跡并標注掃描軌跡線和旋轉軸間距為10“2按鈕，確定無誤后單擊“確定”按鈕，最后點擊“保存”按鈕保存所畫的圖形。12㎜，所繪圖形把軸端的圓包括在內，點擊“確定”按鈕完成草繪；單擊“拉伸工具”命令按鈕，修改拉伸的深度為10㎜，然后，單擊“去除材料”按鈕完成；單擊“預覽”按鈕，確定無誤后單擊“確定”按鈕完成整個軸的三維模型建立，單擊“保存”按鈕。軸的三維模型，如圖3-2所示。圖5-2軸的三維模型圖軸承的三維模型形成軸承的基本參數(shù)軸承代號為6003，基本尺寸為dDB=17㎜35㎜10㎜。三維模型建立定的陣列關系，完成軸承的三維模型。首先，新建一個零件圖并命名為“zhoucheng精品文檔可編輯修改其次，繪制軸承內的小圓珠。之前先建立一個基準平面，單擊“基準平面具，選擇軸承的軸和一個合適的平面，選擇旋轉角度為45 ，新建的基準平面系統(tǒng)默認為DTM1。在DTM1平面上草繪圓并修改尺寸。按住Ctrl鍵選擇DTM1平面和剛草繪的圓，長按鼠標右鍵，在下拉菜單中選擇“組”將所選項構建成一組。最后，單擊所建的組并單擊鼠標右鍵，選擇“陣列”選項，修改角度和陣列的個數(shù)，完成操作，確定無誤后保存。建立的軸承的三維模型如圖3-3所示。圖5-3軸承的三維模型圖墊圈的三維模型形成墊圈的基本參數(shù)內徑d1

=10.5㎜，外徑d2

=20㎜，?度h=2㎜。三維模型建立建立一個零件圖并命名為“dianquan單擊“拉伸工具”按鈕，修改拉伸深度并單擊“預覽”按鈕，確定無誤后單擊模型如圖3-4所示。精品文檔可編輯修改圖5-4墊圈的三維模型圖螺母的三維模型形成螺母的基本參數(shù)D=M12，da

=10.8㎜，dw

=14.6㎜，e=17.77㎜，s=16㎜。三維模型建立“l(fā)uomu“確定”按鈕完成草繪。其次，單擊“拉伸工具”按鈕并修改拉伸深度，單擊“預覽”按鈕確定無誤后，單擊“確定”按鈕完成。2精品文檔可編輯修改圖5-5螺母的三維模型圖踏板的三維模型形成踏板的基本參數(shù)長度350㎜，寬度為150㎜，高度為10㎜，板?為5㎜。三維模型形成“taban圖5-6踏板的三維模型圖底座及其連接部分三維模型的形成底座包含的各個零件的三維模型的形成與以前的過程大同小異，在此不作敘述。在此介紹由各個零件通過各種約束和配合，最后組裝成底座這一大的組件。精品文檔可編輯修改圖5-7底座及其連接部分的三維模型圖首先，設置工作目錄，新建一個組件圖，單擊“將元件添加到組件”按鈕，lan1再單擊“將元件添加到組件”