下肢康復(fù)機(jī)器人穿戴式機(jī)械腿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)含開題、9張CAD圖

下肢康復(fù)機(jī)器人穿戴式機(jī)械腿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)含開題、9張CAD圖,下肢,康復(fù),痊愈,機(jī)器人,穿戴,穿著,機(jī)械,機(jī)構(gòu),設(shè)計(jì),開題,cad XXXX任務(wù)書論文題目 穿戴式機(jī)械腿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)年級專業(yè)學(xué)生姓名學(xué)號主要內(nèi)容：1. 具有較好的機(jī)械設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)，能熟練掌握二維和三維的制圖軟件，具有比較強(qiáng)的獨(dú)立研究和探索能力，具有較強(qiáng)的主動溝通意識。2. 穿戴式機(jī)械腿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì),完整的機(jī)械設(shè)計(jì)過程及其說明；3. 完成二維或者三維的設(shè)計(jì)圖紙繪制；4.查閱文獻(xiàn)15篇以上，翻譯不少于5000印刷符的英文資料；5.撰寫開題報(bào)告：包括工作任務(wù)分析、調(diào)研報(bào)告或文獻(xiàn)綜述、方案擬定與分析以及實(shí)施計(jì)劃等；6.撰寫畢業(yè)論文，篇幅不少于1萬字。主要任務(wù)及基本要求（包括指定的參考資料）：主要任務(wù)及基本要求：1、撰寫開題報(bào)告：包括工作任務(wù)分析、調(diào)研報(bào)告或文獻(xiàn)綜述、方案擬定與分析 以及實(shí)施計(jì)劃等；2、查閱文獻(xiàn)14篇以上，翻譯不少于5000印刷符的英文資料；3、熟練運(yùn)用二維三維繪圖軟件；4、撰寫畢業(yè)論文，篇幅不少于1萬字。主要參考文獻(xiàn)：【1】李研彪，劉毅，李景敏，計(jì)時鳴，趙章風(fēng)，新型擬人機(jī)械腿的參數(shù)優(yōu)化， 2013. 09. 【2】計(jì)時鳴，劉毅，李研彪，李景敏，一種新型擬人機(jī)械腿的運(yùn)動傳遞性能分析，1001-4551(2012)10-1125-05 【3】伊蕾，助行康復(fù)機(jī)器人控制策略研究，2012,04【4】鄧楚慧，穿戴式下肢康復(fù)機(jī)器人機(jī)構(gòu)分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)，2012,6.10【5】劉毅，一種新型擬人機(jī)械腿的性能研究，2012,12【6】尹軍茂，穿戴式下肢外骨骼機(jī)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)，2010，05【7】趙豫玉，穿戴式下肢康復(fù)機(jī)器人的研究，2009,03【8】王志鵬，郭險(xiǎn)峰，穿戴式下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)，1672-3791【9】余聯(lián)慶，吳昌林，馬世平，基于仿生研究的步行機(jī)緩沖型腿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，1671-512( 2005) 06-0105-03【10】金振林，曲夢可，六足步行機(jī)器人的并聯(lián)機(jī)械腿設(shè)計(jì)，10. 3788/OPE. 20122007. 1532【11】金振林，曲夢可，三自由度并聯(lián)機(jī)械腿靜力學(xué)分析與優(yōu)化，1002-6811【12】孫恒 陳作模 葛文杰. 機(jī)械原理 西北工業(yè)大學(xué)機(jī)械原理及機(jī)械零件教研室編，第七版，高等教育出版社，2006.5【13】濮良貴 紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計(jì) 西北工業(yè)大學(xué)機(jī)械原理及機(jī)械零件教研 編，第八版，高等教育出版社，2006.5 【14】周建方等.材料力學(xué) 機(jī)械工業(yè)出版社，普通高等教育機(jī)電類規(guī)劃教材，2002.1【15】機(jī)械制圖 大連理工大學(xué)工程圖學(xué)教研室編，第六版，高等教育出版社，2007.7發(fā)出任務(wù)書日期： 2014年2月22日完成期限：2014年4月9日指導(dǎo)教師簽名：專業(yè)主任簽名：年月日XX設(shè)計(jì)（XX）題目申報(bào)表設(shè)計(jì)（論文）題目穿戴式機(jī)械腿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)題目類型題目來源A面向?qū)I(yè)指導(dǎo)教師副教授博士從事專業(yè)題目簡介： 現(xiàn)代機(jī)器人所具有的機(jī)械動力裝置使得機(jī)器人可以輕易地完成很多艱苦的任務(wù)，比如舉起、搬運(yùn)沉重的負(fù)載等。雖然現(xiàn)代機(jī)器人控制技術(shù)有了長足的發(fā)展，還遠(yuǎn)達(dá)不到人的智力水平，包括決策能力和對環(huán)境的感知能力。與此同時，人類所具有的智能是任何生物和機(jī)械裝置所無法比擬的，人所能完成的任務(wù)不受人的智能的約束，而僅受人的體能的限制。因此，將人的智能與機(jī)器人所具有的強(qiáng)大的機(jī)械能量結(jié)合起來，綜合為一個系統(tǒng)，將會帶來前所未有的變化，這便是穿戴式機(jī)器人的設(shè)計(jì)思想。審核意見：審核人簽名：年 月 日題目類型1、為結(jié)合科研；2、為結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際；3、為結(jié)合大學(xué)生科研訓(xùn)練計(jì)劃；4、為結(jié)合學(xué)科競賽；5、模擬仿真；6、其它題目來源A.指導(dǎo)教師出題 ； B.學(xué)生自定、自擬；穿戴式機(jī)械腿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 中文摘要 本論文研究穿戴式機(jī)械腿機(jī)構(gòu)。穿戴式機(jī)械腿是一種典型的人機(jī)一體化系統(tǒng)，該機(jī)構(gòu)是一種穿戴于人體腿部幫助有下肢乏力的患者進(jìn)行康復(fù)治療的機(jī)械結(jié)構(gòu)。本文在人-機(jī)相容性方面做了詳細(xì)的分析，使本機(jī)構(gòu)在較好的穿戴位形下依靠人體的運(yùn)動信息控制穿戴式機(jī)器人，在運(yùn)動過程中提高人機(jī)步態(tài)的一致性，達(dá)到更好的康復(fù)治療的目的。 論文分析了國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，了解了國內(nèi)外相關(guān)研究的背景情況、研究進(jìn)展和未來的發(fā)展問題，總結(jié)了下肢康復(fù)機(jī)器人研究中還存在的問題，進(jìn)而確定了本文的主要研究內(nèi)容及所需解決的關(guān)鍵問題。 本文確定了下肢康復(fù)機(jī)器人機(jī)構(gòu)的自由度，對機(jī)構(gòu)進(jìn)行了關(guān)節(jié)布位，通過自由度的分析對人-機(jī)聯(lián)接模式和約束性質(zhì)進(jìn)行了研究，從而確定了骨骼-機(jī)構(gòu)聯(lián)體模型。在人體骨骼模型的基礎(chǔ)上，提出了一種機(jī)構(gòu)構(gòu)型方案。對人-機(jī)相容性進(jìn)行了定義，分析了人-機(jī)相容性的影響因素。在此基礎(chǔ)上分別對人體下肢骨骼模型和這種機(jī)構(gòu)構(gòu)型進(jìn)行了三維模型設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞:康復(fù)機(jī)器人,人-機(jī)相容性,機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 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 目 錄中文摘要.IAbstract .II第一章 緒論.11.1研究背景.11.2下肢康復(fù)機(jī)器人概況 .2 1.2.1康復(fù)機(jī)器人研究歷史.21.2.2下肢康復(fù)機(jī)器人分類.31.3下肢康復(fù)機(jī)器人的研究現(xiàn)狀.5 1.3.1國外研究現(xiàn)狀.51.3.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀.;.91.4下肢康復(fù)機(jī)器人研究存在的問題.111.5課題意義及主要研究內(nèi)容.11第二章 穿戴式機(jī)械腿機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析.132.1 引言.132.2人體下肢生物骨骼模型.132.3骨骼的運(yùn)動與下肢關(guān)節(jié).13第三章 穿戴式機(jī)械腿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì).193.1穿戴式機(jī)械腿設(shè)計(jì).19 3.1.1三維模型設(shè)計(jì).19 3.1.2膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)及腳部設(shè)計(jì).21 3.1.3下肢連接器.26 3.1.4大小腿彈簧助力器及保護(hù).26 3.1.5下肢骸部設(shè)計(jì).28 3.1.6 腿部固定.30第四章 強(qiáng)度校核.314.1關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)連接器受力分析.31設(shè)計(jì)總結(jié).34參考文獻(xiàn).36致謝.38第一章 緒論1.1研究背景 我國已經(jīng)進(jìn)入老齡化社會，老齡化問題逐漸得到關(guān)注。2009年度中國老齡事業(yè)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)稱，2009年我國60歲及以上老年人口己達(dá)到1.6714億，占總?cè)丝诘?2.5%;到2015年我國60歲及以上老年人口將達(dá)到2.16億，約占總?cè)丝诘?6.7%。在老齡人群中有大量的腦血管疾病或者神經(jīng)系統(tǒng)疾病患者，其中以腦卒中患者居多，而這類患者多數(shù)會留下偏癱等癥狀。另外，近十年來我國各類交通運(yùn)輸工具的保有量迅速增長，因交通事故造成身體損傷的人數(shù)每年超過30萬人。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國目前有8296萬殘疾人，有康復(fù)需求的接近5000萬，每年因車禍、疾病等原因新增的殘疾人數(shù)量達(dá)100多萬。醫(yī)學(xué)理論和臨床醫(yī)學(xué)證明，這類患者除了早期的手術(shù)治療和必要的藥物治療外，正確的、科學(xué)的康復(fù)訓(xùn)練對于肢體運(yùn)動功能的恢復(fù)和提高起到非常重要的作用。 由于腦的可塑性，醫(yī)學(xué)上通常是通過重復(fù)的、特定任務(wù)的訓(xùn)練讓患者進(jìn)行足夠的重復(fù)性活動，從而使重組中的大腦皮質(zhì)通過深刻的體驗(yàn)來學(xué)習(xí)和儲存正確的運(yùn)動模式。減重活動平板步行訓(xùn)練的治療方法就是基于上述原理對患者進(jìn)行訓(xùn)練并且取得了良好的臨床效果，成為下肢康復(fù)醫(yī)療采用的主要方法。訓(xùn)練采用懸吊式減重器和活動平板(醫(yī)用跑步機(jī))配合工作來協(xié)助患者完成步行動作。其懸吊裝置可以不同程度地減少患者上身體重對下肢的負(fù)荷，患者在康復(fù)治療師的幫助下借助于運(yùn)動平板進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。訓(xùn)練過程中一般需要兩名治療師相互協(xié)調(diào)，一名治療師在患者側(cè)面幫助并促進(jìn)患者側(cè)下肢擺動，確定腳跟先著地，防止出現(xiàn)膝關(guān)節(jié)過伸，保證兩腿站立時間與步長對稱;另一名治療師站在患者身后，促進(jìn)重心轉(zhuǎn)移至負(fù)重腿上，保證骸屈伸、骨盆旋轉(zhuǎn)和軀干直立。減重步行訓(xùn)練可以獲得較為理想的肢體功能恢復(fù)效果，但是這種治療師對患者“手把手”式的訓(xùn)練方式存在一些問題。 首先，一名患者需要兩名治療師進(jìn)行運(yùn)動訓(xùn)練，效率低下，并且由于治療師自身的原因，可能無法保證患者得到足夠的訓(xùn)練強(qiáng)度，而且治療效果會受到治療師自身經(jīng)驗(yàn)和水平的影響。 其次，不能精確控制和記錄訓(xùn)練參數(shù)(運(yùn)動速度、軌跡、強(qiáng)度等)，不利于治療方案的確定和改進(jìn);不能記錄描述康復(fù)進(jìn)程的各種數(shù)據(jù)，康復(fù)評價(jià)指標(biāo)不夠客觀;無法建立訓(xùn)練參數(shù)和康復(fù)指標(biāo)之間的對應(yīng)關(guān)系，不利于對患者神經(jīng)康復(fù)規(guī)律進(jìn)行深入研究。 再有，不能向患者提供實(shí)時直觀的反饋信息，訓(xùn)練過程缺乏吸引力，患者多為被動接受治療，參與治療的主動性不夠。 可以看出，單純依靠治療師進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，無疑會制約康復(fù)訓(xùn)練效率的提高和方法的改進(jìn)。因此，開拓更加廣泛的康復(fù)訓(xùn)練手段和進(jìn)一步提高康復(fù)效率是解決患者運(yùn)動功能障礙的當(dāng)務(wù)之急。而突破這個問題的關(guān)鍵在于科學(xué)技術(shù)的創(chuàng)新，下肢康復(fù)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展和運(yùn)用解決了這個問題。首先，機(jī)器人不存在“疲倦”的問題，能夠滿足不同患者對訓(xùn)練強(qiáng)度的要求;其次，機(jī)器人可以將治療師從繁重的訓(xùn)練任務(wù)中解放出來，而專注于制定治療方案、分析訓(xùn)練數(shù)據(jù)、優(yōu)化訓(xùn)練內(nèi)容并改進(jìn)機(jī)器人的功能;再次，機(jī)器人可以客觀記錄訓(xùn)練過程中患者患肢的位置、方向、速度以及肌力恢復(fù)狀態(tài)等客觀數(shù)據(jù)，供治療師分析，以評價(jià)治療效果;更進(jìn)一步，機(jī)器人所記錄下的詳細(xì)數(shù)據(jù)，使得治療師有可能從中發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)與治療結(jié)果之間的對應(yīng)關(guān)系，從而有可能深入了解中樞神經(jīng)康復(fù)的規(guī)律;還有，使用機(jī)器人技術(shù)可以通過多媒體技術(shù)為患者提供豐富多彩的訓(xùn)練內(nèi)容，使患者能夠積極參與治療，樹立康復(fù)信心，并及時得到治療效果的反饋信息;最后，機(jī)器人治療技術(shù)使得遠(yuǎn)程治療和集中治療(一名治療師同時為幾名患者提供指導(dǎo))成為可能，通過將成熟的產(chǎn)品推廣應(yīng)用，最終使所有的患者受益。1.2下肢康復(fù)機(jī)器人概況 康復(fù)機(jī)器人是康復(fù)醫(yī)學(xué)和機(jī)器人技術(shù)的完美結(jié)合，人們不再把機(jī)器人當(dāng)作輔助患者的工具，而是把機(jī)器人和計(jì)算機(jī)當(dāng)作提高臨床康復(fù)效率的新型治療工具。 下肢康復(fù)機(jī)器人是目前康復(fù)機(jī)器人研究領(lǐng)域的一個主要研究對象。它主要用于輔助患有腦血管疾病或神經(jīng)系統(tǒng)疾病的患者進(jìn)行下肢的康復(fù)訓(xùn)練，幫助他們重獲步行能力。它可以在專業(yè)的醫(yī)療機(jī)構(gòu)甚至在家中使用，使患者獲得更強(qiáng)的獨(dú)立生活能力，并能相當(dāng)大的提高他們的生活質(zhì)量。在過去的幾年中，下肢康復(fù)機(jī)器人在世界各國己經(jīng)有了很大的發(fā)展并取得了相當(dāng)多的成果，一些企業(yè)在其技術(shù)開發(fā)及投資方面有了很大的投入，下肢康復(fù)機(jī)器人技術(shù)正在向產(chǎn)業(yè)化和普及化發(fā)展。1.2.1康復(fù)機(jī)器人研究歷史 第一次嘗試把為殘疾人服務(wù)的機(jī)器人系統(tǒng)產(chǎn)品化是在20世紀(jì)的60年代到70年代，實(shí)踐證明這些嘗試都失敗了。失效原因主要有2個方面:其一是設(shè)計(jì)的不理想，尤其是人機(jī)接口;另一個不是技術(shù)的原因，而是因?yàn)閱蝺r(jià)太高導(dǎo)致了康復(fù)機(jī)器人產(chǎn)品化的失敗。 20世紀(jì)80年代是康復(fù)機(jī)器人研究的起步階段，美國、荷蘭和瑞士在康復(fù)機(jī)器人方面的研究處于世界領(lǐng)先地位。90年代以來，全世界己有超過20所大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室及康復(fù)醫(yī)療機(jī)構(gòu)相繼開展了基于機(jī)電結(jié)合機(jī)器人技術(shù)的下肢康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)的研制和實(shí)驗(yàn)研究工作。 首先在機(jī)械手方面取得了一定的成就。1993年，Lum P. S.等研制了一種稱作“手-物體-手”的系統(tǒng)(hand-object-hand system），如圖1-1左圖，用來對一只手功能受損的患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。這種雙手物理治療輔助機(jī)器包括兩個置于桌面上可繞轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動的夾板狀手柄，其中一個手柄下端連接在驅(qū)動電機(jī)上，電機(jī)可以輔助患者完成動作。 1995年，Lum P. S.等又研制了一種雙手上舉的康復(fù)器(bimanual liftingrehabilitator），如圖1-1右圖，用來訓(xùn)練患者用雙手將物體舉起這一動作。該設(shè)備為兩自由度連桿結(jié)構(gòu)，當(dāng)患者雙手握住手柄將其舉起時，設(shè)備既可測量被舉物體的垂直位置及傾斜角度參數(shù)，也可以在左手(患側(cè)手)無法產(chǎn)生足夠大的力時予以輔助，機(jī)器所施加的力可以按患者的需要改變，從而保持上舉動作的平衡。圖1-1 手-物體-手訓(xùn)練系統(tǒng) 目前康復(fù)機(jī)器人技術(shù)有了較大的發(fā)展，從技術(shù)上能夠較好地滿足各種殘障人士和老年人的需要，但是在實(shí)用能力上還需要進(jìn)一步完善和提高。1.2.2下肢康復(fù)機(jī)器人分類 （1)牽引型下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人系統(tǒng)主要由減重裝置和數(shù)個牽引機(jī)器人組成，機(jī)器人操作端分別與患肢的膝、踩部柔性連接?？祻?fù)訓(xùn)練的過程是患者經(jīng)吊帶減重后，由機(jī)器人牽引患肢的連接部位按預(yù)期的操作端軌跡進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練運(yùn)動。典型的牽引型下肢康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)有美國Health-S outh公司研制的Auto-Ambulato:系統(tǒng)和美國加州大學(xué)洛杉磯分校研制的ARMS系統(tǒng)等，其中Auto-Ambulator系統(tǒng)的牽引機(jī)器人數(shù)目為2個，ARMS系統(tǒng)的牽引機(jī)器人數(shù)目為4個。牽引型下肢康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)可根據(jù)康復(fù)訓(xùn)練需要對系統(tǒng)進(jìn)行重組，并具有牽引運(yùn)動形式多樣、對患肢的適應(yīng)性較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但其機(jī)械及控制系統(tǒng)的組成相對復(fù)雜，國內(nèi)未見有相關(guān)研究的報(bào)導(dǎo)。 （2)運(yùn)動踏板型下肢康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)主要由減重裝置和一對運(yùn)動踏板組成，康復(fù)訓(xùn)練的過程是患者經(jīng)吊帶減重后，雙足與運(yùn)動踏板保持接觸，運(yùn)動踏板根據(jù)預(yù)先規(guī)劃的軌跡運(yùn)動，在患者自重(體重與減重量差值)與運(yùn)動踏板推力共同作用下進(jìn)行患肢的康復(fù)訓(xùn)練運(yùn)動。典型的運(yùn)動踏板型康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)有德國Fraunhofer研究所與柏林自由大學(xué)研制的Haptic-Walker系統(tǒng)、Mechanized Gait Trainer系統(tǒng)和口本Tsukuba大學(xué)研制的Gait-Maste:系統(tǒng)等。其中，Haptic-Walker和Gait-Master為多自由度運(yùn)動踏板訓(xùn)練系統(tǒng)，Mechanized Gait Traine:為單自由度(每個踏板)運(yùn)動踏板訓(xùn)練系統(tǒng)。國內(nèi)從事運(yùn)動踏板型康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)研究的機(jī)構(gòu)主要有清華大學(xué)和哈爾濱工程大學(xué)，并研制出具有單、多自由度的臥式及立式運(yùn)動踏板訓(xùn)練系統(tǒng)。多自由度運(yùn)動踏板訓(xùn)練系統(tǒng)對患肢不同的訓(xùn)練需求具有較強(qiáng)的適用性，可以模擬正常的下肢運(yùn)動步態(tài)和腳踩運(yùn)動位姿，還能夠根據(jù)訓(xùn)練需要靈活調(diào)整、設(shè)計(jì)踏板的運(yùn)動規(guī)律。 (3)穿戴型下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人系統(tǒng)由減重裝置、運(yùn)動平板以及與支撐裝置相連的穿戴型下肢康復(fù)機(jī)器人(外骨骼)組成。康復(fù)訓(xùn)練的過程是患者穿戴下肢康復(fù)機(jī)器人并經(jīng)吊帶減重后，機(jī)器人根據(jù)預(yù)先規(guī)劃的運(yùn)動規(guī)律和控制策略，導(dǎo)引患者下肢協(xié)同運(yùn)動進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。同時患者的雙足依次與運(yùn)動平板相接觸，在運(yùn)動平板的帶動下進(jìn)行踩關(guān)節(jié)的康復(fù)訓(xùn)練。穿戴型下肢康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)既能進(jìn)行下肢的被動康復(fù)訓(xùn)練，也可以對下肢進(jìn)行主動康復(fù)訓(xùn)練。對于手術(shù)恢復(fù)期后以及因偏癱導(dǎo)致運(yùn)動功能損傷嚴(yán)重的患者，可先經(jīng)吊帶減重后由下肢康復(fù)機(jī)器人導(dǎo)引患肢進(jìn)行被動康復(fù)訓(xùn)練，逐步恢復(fù)患肢關(guān)節(jié)的運(yùn)動功能和肌肉組織的伸展功能。當(dāng)患肢的運(yùn)動功能恢復(fù)到一定程度后，根據(jù)功能恢復(fù)狀況可適當(dāng)降低下肢康復(fù)機(jī)器人的驅(qū)動功率，由患肢與機(jī)器人驅(qū)動器共同承擔(dān)機(jī)器人機(jī)構(gòu)的負(fù)載并協(xié)同運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)患肢的主動康復(fù)運(yùn)動訓(xùn)練。1.3下肢康復(fù)機(jī)器人的研究現(xiàn)狀 康復(fù)機(jī)器人技術(shù)在歐美等發(fā)達(dá)國家得到了科研工作者和醫(yī)療機(jī)構(gòu)的普遍重視，許多研究機(jī)構(gòu)都開展了有關(guān)的研究工作，近年來取得了一些有價(jià)值的成果。我國對康復(fù)機(jī)器人的研究起步比較晚，輔助型康復(fù)機(jī)器人的研究成果相對較多，康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人方面的研究成果則比較少。1.3.1國外研究現(xiàn)狀 瑞士HOCOMA醫(yī)療器械公司與瑞士蘇黎士Balgrist醫(yī)學(xué)院康復(fù)中心合作推出的LOKOMAT步行康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人是當(dāng)今產(chǎn)業(yè)化程度最高的一種面向下肢癱瘓患者的醫(yī)療康復(fù)器械。 LOKOMAT于1999年研制成功，2001年在漢諾威世界工業(yè)展覽會上展出，并在隨后的幾年中口臻完善并且己經(jīng)開始進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段。 LOKOMAT根據(jù)癱瘓患者康復(fù)訓(xùn)練的特點(diǎn)，將下肢外骨骼設(shè)計(jì)成骸關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)兩個自由度，分別由驅(qū)動器控制直流伺服電機(jī)進(jìn)行運(yùn)動。關(guān)節(jié)的角度、電機(jī)的輸出力矩、患者與外骨骼之間的接觸力均由相應(yīng)的傳感器進(jìn)行測量。整個LOKOMAT系統(tǒng)通過一個平行四邊形連桿機(jī)構(gòu)與跑步機(jī)及懸吊系統(tǒng)相連接，穩(wěn)固可靠。訓(xùn)練時，患者的下肢通過六個綁帶與LOKOMAT相連，最基本的被動訓(xùn)練只需控制四個關(guān)節(jié)的角度和角速度，以帶動患者模仿人體步行運(yùn)動。為了適應(yīng)不同患者的需要，該機(jī)器人的各個關(guān)節(jié)均可調(diào)整，如圖1-2所示。為了讓患者感到舒適，所有與患者接觸的綁帶都是寬而軟的。LOKOMAT的優(yōu)點(diǎn)是:患者的訓(xùn)練狀態(tài)能夠被監(jiān)測、評價(jià)和引導(dǎo);能夠根據(jù)患者個體不同提供相應(yīng)的步態(tài)模式和訓(xùn)練方案;能夠通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為患者提供反饋以提高患者參與訓(xùn)練的主動性。圖1-2 LOKOMAT機(jī)械腿 LOPES(Lowerextremi typowered Exoskeleton)也是一套主動醫(yī)療康復(fù)外骨骼，如圖1-3所示。它的設(shè)計(jì)初衷與LOKOMAT一樣，是面向于下肢活動能力受損的心腦血管或神經(jīng)疾病患者。所不同的是，LOPES更加關(guān)注于所開發(fā)的機(jī)電系統(tǒng)與患者的兼容性和患者穿戴外骨骼訓(xùn)練時的舒適性。當(dāng)然，對康復(fù)外骨骼的一些常規(guī)要求，如:較大的帶寬、較高的定位精度、良好的結(jié)構(gòu)堅(jiān)固性等，也在LOPES中得到了相應(yīng)的體現(xiàn)。由于設(shè)計(jì)關(guān)注的方面不同，其驅(qū)動方式也與LOKOMAT大相徑庭。LOPES采用繩纜拉線式的傳動方式控制四個關(guān)節(jié)，并采用了一系列的彈性構(gòu)件組成了系統(tǒng)的力反饋環(huán)節(jié)。其獨(dú)特的驅(qū)動方式，使得系統(tǒng)具有更加輕便的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)以及更為簡潔的外骨骼結(jié)構(gòu)，從而提高了效率。另外，出于舒適性的考慮，外骨骼也為患者提供了更多的關(guān)節(jié)自由度，包括:骸關(guān)節(jié)的屈、伸主動自由度，膝關(guān)節(jié)的屈、伸主動自由度，踩關(guān)節(jié)的外展、內(nèi)收被動自由度，骨盆的上、下移動被動自由度。圖1-3 LOPES機(jī)械腿 2001年，德國弗朗霍費(fèi)爾研究所(Franhofer Institut IPK)基于吊線木偶原理，研制了一種繩驅(qū)動式下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人Stringman，配合踏步車使用，如圖1-4所示。 Stringman由自動減重繩驅(qū)機(jī)構(gòu)和姿態(tài)控制機(jī)構(gòu)兩部分組成，共六個自由度。Stringman采用了復(fù)雜的控制結(jié)構(gòu)，包括多個控制環(huán)，具有龐大的傳感器系統(tǒng)，底層控制采用基于位置的魯棒力控制以及柔順控制。減重水平根據(jù)檢測到的病人支撐腿的情況自動調(diào)整。姿態(tài)和平衡控制基于零力矩點(diǎn)概念，通過控制繩的張力控制zMp位置及足底反作用力。目前該機(jī)器人仍處于樣機(jī)研究階段。 圖 1-4 Stringman機(jī)械腿 圖1-5 Arthur機(jī)械腿 2002年，美國加利福尼亞大學(xué)David Reinkensmeyer等人研制了兩自由度平面康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人ARTHUR，如圖1-5所示。該機(jī)器人采用V型機(jī)構(gòu)測量和控制其頂點(diǎn)的位置，機(jī)構(gòu)頂點(diǎn)可與患者患側(cè)的腳踩或膝蓋連接，輔助患肢抬腳或抬腿。與大多數(shù)機(jī)器人不同的是，ARTHUR具有高度的逆向可驅(qū)動性。 日本研制了一種旋轉(zhuǎn)式下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人，如圖1-6所示。它采用一個大的回轉(zhuǎn)臂通過束具與患者的軀干連接，支撐患者的部分體重，同時患者在回轉(zhuǎn)臂的帶動下沿圓周路線行走。該機(jī)器人的缺點(diǎn)是行走過程中機(jī)器人始終對患者附加一個不同于正常行走的側(cè)向驅(qū)動力，病人膝蓋會承受多余的剪切載荷。 針對口本回轉(zhuǎn)式步態(tài)訓(xùn)練機(jī)器人的缺點(diǎn)以及采用祛碼等傳統(tǒng)懸吊減重方式存在的減重力變化的問題，Seungho Kim等人分別開發(fā)了氣壓和電氣驅(qū)動的減重移動車式步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人(walking training robot)。該機(jī)器人由輪式移動平臺和恒力減重系統(tǒng)兩部分組成，輪式移動平臺可工作在訓(xùn)練模式或者跟隨模式下。訓(xùn)練模式中，由移動平臺引導(dǎo)患者按照計(jì)算機(jī)或安裝于平臺上的操縱桿制定的路徑行走，由移動平臺跟蹤患者的運(yùn)動方向和速度。針對電機(jī)驅(qū)動和氣壓驅(qū)動減重系統(tǒng)分別設(shè)計(jì)了基于滑模力控制和采用模糊力控制的恒力減重控制系統(tǒng)。 圖1-6 旋轉(zhuǎn)式康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人 圖1-7 MaKiKawa 的機(jī)器人 日本的Makikawa實(shí)驗(yàn)室結(jié)合機(jī)器人技術(shù)、生物信號測量技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)研制出一種下肢康復(fù)機(jī)器人，如圖1-7所示。該機(jī)器人可以使病人模擬正常人走路、上斜坡、爬樓梯、滑行等各種運(yùn)動，從而達(dá)到康復(fù)鍛煉的目的。 圖1-8是美國芝加哥PT公司研發(fā)的平衡機(jī)器人。它的作用是幫助失去身體平衡的人進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練的機(jī)器人，右圖是患者在側(cè)向移動。這種康復(fù)機(jī)器人能夠幫助人體平衡，而且對軀干受傷的人，或者行走失去平衡的人有非常好的效果。它能夠迅速準(zhǔn)確地確定患者微小的動作，從而幫助患者達(dá)到預(yù)想的動作，這種康復(fù)設(shè)備不會主動地帶人行走。圖1-8 芝加哥PT公司平衡機(jī)器人 AKROD (Active Knee Rehabilitation Device For Human)康復(fù)機(jī)器人是由美到東北大學(xué)機(jī)電與機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的，如圖1-9所示?？祻?fù)機(jī)器人在應(yīng)用上也七過去更貼近普通人，現(xiàn)在這臺AKROD膝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人己經(jīng)在美國波士頓醫(yī)完投入使用，對于膝關(guān)節(jié)由于撞擊受傷的患者尤其有效。圖1-9 AKROD 康復(fù)機(jī)器人1.3.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀 國內(nèi)在下肢機(jī)器人方面的研究起步較晚，所取得的成果也不多。目前的研究機(jī)構(gòu)主要集中在上海大學(xué)、浙江大學(xué)和哈爾濱工程大學(xué)等。具有代表性的是，哈爾濱工程大學(xué)開發(fā)的輔助型下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人和浙江大學(xué)開發(fā)的可穿戴式的下肢步行外骨骼。自2004年開始，中科院合肥智能機(jī)械研究所開始從事這方面的相關(guān)研究工作。 2002年，哈爾濱工程大學(xué)機(jī)電一體化研究所研制了一種下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人樣機(jī)如圖1-10所示。該機(jī)器人由三自由度步態(tài)機(jī)構(gòu)、姿態(tài)機(jī)構(gòu)和重心平衡機(jī)構(gòu)等組成。其優(yōu)點(diǎn)是可實(shí)現(xiàn)腳的姿態(tài)調(diào)整，在機(jī)器人的遠(yuǎn)程控制技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及減重控制策略方面進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)或仿真研究，后續(xù)研制并開發(fā)了可與該機(jī)器人配合使用的四自由度繩索牽引骨盆運(yùn)動并聯(lián)康復(fù)機(jī)器人。 圖1-10 下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人 圖1-11 助力機(jī)械腿 2006年，上海大學(xué)機(jī)電工程與自動化學(xué)院也開始研究了一套可穿戴式助力機(jī)械腿單側(cè)下肢有兩個自由度，分別為骸關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的屈/伸自由度，這兩個自由度分別由電動缸驅(qū)動，單側(cè)下肢機(jī)構(gòu)如圖1-11所示。 浙江大學(xué)流體傳動與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室也在這方面做了深入的研究，研究設(shè)計(jì)了一套下肢康復(fù)醫(yī)療外骨骼，如圖1-12所示。這套系統(tǒng)具有骸關(guān)節(jié)和關(guān)節(jié)兩個自由度，采用伺服電機(jī)驅(qū)動，并由獨(dú)立的驅(qū)動器進(jìn)行控制。并在此基礎(chǔ)上開發(fā)了一套專用于此系統(tǒng)的虛擬儀器控制界面軟件。另外，專為系統(tǒng)制定開發(fā)的兩套步態(tài)訓(xùn)練控制策略，即被動步態(tài)訓(xùn)練位置控制和半主動步態(tài)訓(xùn)練軌跡自校正控制，可以滿足不同康復(fù)時期下肢步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練的不同要求。圖1-12 伺服電動驅(qū)動的下肢康復(fù)醫(yī)療外骨骼 自2004年開始，中科院合肥智能機(jī)械研究所就開始從事這方面的相關(guān)研究工作，如圖1-13所示。機(jī)器人采用了類人結(jié)構(gòu)，機(jī)構(gòu)單側(cè)共有五個自由度，分別是骸關(guān)節(jié)三個自由度，膝關(guān)節(jié)和踩關(guān)節(jié)各一個自由度。圖1-13 可穿戴型助力機(jī)器人 盡管國內(nèi)在穿戴型下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人領(lǐng)域的研究起步相對較晚，但在機(jī)器人系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究與試驗(yàn)樣機(jī)研制方面己經(jīng)取得比較多的成果。進(jìn)一步完善下肢康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)的性能，開展相關(guān)的康復(fù)訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)研究是今后研究工作的重要內(nèi)容。1.4下肢康復(fù)機(jī)器人研究存在的問題 （1）人-機(jī)聯(lián)接模式對人-機(jī)相容性的影響?，F(xiàn)有下肢康復(fù)機(jī)器人中，人-機(jī)之間采用直接綁縛或通過穿戴具以緊致穿戴的形式相聯(lián)接，缺乏有關(guān)人-機(jī)聯(lián)接模式和約束性質(zhì)的深入研究，更未分析聯(lián)接模式對人-機(jī)運(yùn)動相容性的影響。因此，需要進(jìn)一步研究人-機(jī)之間的聯(lián)接模式及其約束特性，在機(jī)器人機(jī)構(gòu)的構(gòu)型設(shè)計(jì)中分析聯(lián)接模式的作用與影響，并以改善人-機(jī)運(yùn)動相容性為前提對機(jī)器人機(jī)構(gòu)的構(gòu)型進(jìn)行綜合與優(yōu)選。 (2)機(jī)構(gòu)構(gòu)型對人-機(jī)相容性的影響?，F(xiàn)有的下肢康復(fù)機(jī)器人機(jī)構(gòu)的骸關(guān)節(jié)多采用單自由度回轉(zhuǎn)副或由2個回轉(zhuǎn)副進(jìn)行運(yùn)動等效，膝關(guān)節(jié)為單自由度回轉(zhuǎn)副，機(jī)構(gòu)的尺度參數(shù)根據(jù)下肢骨胳的比例和長度確定。優(yōu)點(diǎn)是機(jī)器人機(jī)構(gòu)的構(gòu)型相對簡潔且機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)簡便易行。但機(jī)器人機(jī)構(gòu)的關(guān)節(jié)數(shù)目少于下肢骨骼的關(guān)節(jié)數(shù)目，而且對應(yīng)關(guān)節(jié)的運(yùn)動屬性也有所不同，構(gòu)型的選取會直接影響人-機(jī)之間的運(yùn)動相容性。因此，在對人體下肢骨骼的生理結(jié)構(gòu)、關(guān)節(jié)運(yùn)動特性以及康復(fù)機(jī)器人機(jī)構(gòu)的外掛屬性進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合人-機(jī)系統(tǒng)的自由度分析提出較好的機(jī)構(gòu)構(gòu)型。 (3)機(jī)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化對人-機(jī)相容性的影響。由于下肢康復(fù)機(jī)器人機(jī)構(gòu)與人體骨骼機(jī)構(gòu)在關(guān)節(jié)數(shù)目、關(guān)節(jié)運(yùn)動特性上的差異以及機(jī)器人機(jī)構(gòu)的外掛屬性，若機(jī)器人機(jī)構(gòu)參數(shù)或聯(lián)接參數(shù)設(shè)計(jì)不夠合理，也會導(dǎo)致人一機(jī)運(yùn)動不相容，在聯(lián)接部位發(fā)生運(yùn)動干涉與沖突。因此，在優(yōu)選機(jī)構(gòu)構(gòu)型的基礎(chǔ)上，需要進(jìn)一步研究基于運(yùn)動相容性的機(jī)構(gòu)參數(shù)及聯(lián)接參數(shù)優(yōu)化方法，定義運(yùn)動相容性評價(jià)指標(biāo)，構(gòu)造基于運(yùn)動相容性的機(jī)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化模型并進(jìn)行參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。 此外，機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中輕便、美觀和機(jī)構(gòu)桿長的可調(diào)性也是研究的關(guān)鍵問題。1.5課題意義及主要研究內(nèi)容 穿戴式智能設(shè)備”是應(yīng)用穿戴式技術(shù)對日常穿戴進(jìn)行智能化設(shè)計(jì)、開發(fā)出可以穿戴的設(shè)備的總稱，如圖1-14 Ekso Bionics機(jī)械腿，鞋等。 機(jī)械腿的研究是步行機(jī)器人研究的核心內(nèi)容。步行機(jī)器人是一個交叉學(xué)科的研究，它涉及仿生學(xué)、機(jī)械學(xué)、控制學(xué)及信息處理技術(shù)等。步行機(jī)器人在多個行業(yè)具有很多應(yīng)用優(yōu)勢，逐漸成為國內(nèi)外機(jī)器人研究領(lǐng)域的一個熱點(diǎn)。步行機(jī)器人與其他履帶式、輪式機(jī)器人相比，具有以下的運(yùn)動特性。 (1)步行機(jī)器人具有良好的地面自適應(yīng)性 步行機(jī)器人可以在復(fù)雜的地形上利用離散的點(diǎn)來選擇最優(yōu)的地面支撐點(diǎn)，并且可以跨越一定的障礙物。 (2）步行機(jī)器人的腿部運(yùn)動系統(tǒng)比較穩(wěn)定 步行機(jī)器人的腿部運(yùn)動系統(tǒng)可以保證身體相對地面的穩(wěn)定，因其腿部具有多個自由度，靈活性大，同時可以通過調(diào)節(jié)腿的伸展度來調(diào)整重心，因此不易翻倒，穩(wěn)定性高。 仿人機(jī)器人作為步行機(jī)器人的一種形式，是提高機(jī)器人機(jī)動性和節(jié)省能源的一條重要途徑。仿人機(jī)器人是機(jī)器人研究領(lǐng)域最高研究成果的代表。相對于其他機(jī)器人，仿人機(jī)器人具有人的外形，并具備良好的人機(jī)交互能力，所以在娛樂服務(wù)等領(lǐng)域，仿人機(jī)器人具有更明顯的優(yōu)勢。圖1-14 Ekso Bionics機(jī)械腿 第二章 穿戴式機(jī)械腿機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析2.1引言 機(jī)械腿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必然是一個挑戰(zhàn)。機(jī)械腿自身特點(diǎn)-穿戴性，決定了它需要更為合理的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接影響穿戴的舒適性。 機(jī)構(gòu)的功能設(shè)計(jì)要反映下肢骨骼的運(yùn)動特點(diǎn)。人體生物骨骼的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)、運(yùn)動形式和步行的運(yùn)動特征都是外骨骼設(shè)計(jì)的基本依據(jù)。通過分析人體骨骼模型和關(guān)節(jié)運(yùn)動建立人體簡化模型。通過分析步行特征初步掌握關(guān)節(jié)運(yùn)動協(xié)調(diào)規(guī)律。采用簡化模型分析人體運(yùn)動學(xué)特性。通過這些特征的研究，合理設(shè)計(jì)出穿戴舒適、運(yùn)動靈活可靠的外骨骼機(jī)構(gòu)，使其與人體運(yùn)動達(dá)到協(xié)調(diào)統(tǒng)一。 無論機(jī)構(gòu)如何進(jìn)行空間構(gòu)型設(shè)計(jì)，都必須要穿著于人體的框架之上，并要求保持機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)與人體形態(tài)的相互統(tǒng)一，滿足人體運(yùn)動的空間需要。因而機(jī)構(gòu)構(gòu)型的空間設(shè)計(jì)首先必須滿足人體骨骼的基本框架。因?yàn)槿梭w結(jié)構(gòu)的主架是骨骼，骨骼具有不可變性，所以機(jī)構(gòu)在進(jìn)行構(gòu)型空間設(shè)計(jì)時，首先要考慮骨骼的形狀和位置，這些是機(jī)構(gòu)構(gòu)型空間設(shè)計(jì)的不變因素。本章就以上問題進(jìn)行了深入討論。2.2人體下肢骨骼模型 骨骼最基本機(jī)能是支撐和運(yùn)動，而關(guān)節(jié)是骨與骨間的連接部分，決定著骨骼運(yùn)動鏈的運(yùn)動形式。人體下肢的骨骼運(yùn)動鏈?zhǔn)且孕D(zhuǎn)為主的串并聯(lián)混合結(jié)構(gòu)。人體下肢骨骼運(yùn)動包含了豐富的機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)問題。建立下肢隨動外骨骼機(jī)構(gòu)模型要以生物骨骼運(yùn)動模型為基礎(chǔ)。2.3 骨骼的運(yùn)動與下肢關(guān)節(jié) (1)下肢骨骼與關(guān)節(jié) 研究人體運(yùn)動學(xué)，首先必須確立參考系。通常臨床醫(yī)學(xué)、體育學(xué)及人體運(yùn)動學(xué)研究使用三維坐標(biāo)系統(tǒng)如圖2-1所示:參考系包括三軸和三面:矢狀軸、冠狀軸(額狀軸)、垂直軸;矢狀面、冠狀面(額狀面)和水平面(橫切面)。在該參考系下，通常把關(guān)節(jié)的基本運(yùn)動形式分為屈曲/伸展、內(nèi)收/外展、回旋和環(huán)轉(zhuǎn)等。 圖2-1 人體基本平面及軸線 圖2-2 人體下肢骨骼與關(guān)節(jié) 如圖2-2所示，決定下肢運(yùn)動狀況的主要關(guān)節(jié)包括:骸關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)，均屬于活動關(guān)節(jié)。其次，腳部和踝部還包括一些不動和少動關(guān)節(jié)，也具有一定的調(diào)節(jié)功能。為簡化起見，外骨骼的設(shè)計(jì)不考慮這些關(guān)節(jié)。 骸關(guān)節(jié)是由一個球形股骨頭與凹形的骸臼組成的桿臼(球窩)式滑膜關(guān)節(jié)，是典型的三軸關(guān)節(jié)或稱多軸關(guān)節(jié)，具有3DOF，即可在三個相互垂直的運(yùn)動軸上做屈伸、收展、旋轉(zhuǎn)等多方向的運(yùn)動，是全身位置最深的關(guān)節(jié)，構(gòu)造既堅(jiān)固又靈活，將軀干的重量傳達(dá)至下肢，具有重要的負(fù)重和活動功能。伸屈活動時，股骨頭沿橫軸在骸臼內(nèi)旋轉(zhuǎn)，但大腿內(nèi)外旋轉(zhuǎn)時，是以股骨頭中心至股骨踝間凹連線作為其活動的軸心。因此，股骨頭在骸臼內(nèi)還有極為微小的滑行。骸關(guān)節(jié)的活動受到肌肉韌帶限制，其運(yùn)動范圍如下:前屈130度到150度;后伸10度到15度;內(nèi)收20度30度;外展30度45度;外旋40度到50度;內(nèi)旋屈骸時為40度到45度。 膝關(guān)節(jié)由股骨下端、脛骨上端和骸骨構(gòu)成，是人體最大最復(fù)雜的關(guān)節(jié)，屬滑車球狀關(guān)節(jié)，能做屈伸運(yùn)動，屈可達(dá)130度，伸不超過10度。在屈膝狀態(tài)下又可作屈位微小的旋內(nèi)、旋外運(yùn)動。在正常步行中，由于屈膝幅度不會很大，屈位微小，在一般的建模中，均忽略旋內(nèi)、旋外的微量運(yùn)動以簡化設(shè)計(jì)。由于膝關(guān)節(jié)受到內(nèi)外交叉韌帶和脛側(cè)、胖側(cè)副韌帶的限制，不能外展、內(nèi)收。因此，膝關(guān)節(jié)簡化為單軸關(guān)節(jié)，具有1DOF，繞額狀軸在矢狀面上屈伸。 膝關(guān)節(jié)的生理結(jié)構(gòu)也是球狀關(guān)節(jié)，嚴(yán)格上屬于球副，只是由于膝關(guān)節(jié)韌帶繃緊的原因，只能在矢狀面運(yùn)動，如圖2-3所示。嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)表明，膝關(guān)節(jié)運(yùn)動是矢狀面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)與滑移的復(fù)合。但由于滑移量非常小，因此不予考慮。圖2-3膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu) 踝關(guān)節(jié)由脛骨遠(yuǎn)側(cè)端關(guān)節(jié)面，胖骨遠(yuǎn)側(cè)端關(guān)節(jié)面和距骨滑車關(guān)節(jié)面構(gòu)成，為屈戌關(guān)節(jié)，運(yùn)動軸在橫貫距骨體的橫軸上。踩關(guān)節(jié)運(yùn)動的方式是由距骨體滑車關(guān)節(jié)面的形狀所決定的，活動范圍較小，能做足背屈、足庶屈和內(nèi)翻、外翻運(yùn)動。在矢狀面背屈10度到20度，蹈屈25度30度。蹈屈時還可有輕微的旋轉(zhuǎn)、內(nèi)收、外展與側(cè)方運(yùn)動。踝關(guān)節(jié)在矢狀面的屈伸運(yùn)動軸由內(nèi)上向外下微傾，踝背伸時足外旋，蹈屈時，足內(nèi)旋。旋轉(zhuǎn)范圍13度25度，踝關(guān)節(jié)運(yùn)動保證了足底支撐力向腿部骨骼的傳遞，在行走、上下樓梯、登山及跳躍時均有重要作用。 值得注意的是，上述這些關(guān)節(jié)發(fā)生在任何一個平面內(nèi)的運(yùn)動都必然伴隨著其他兩個平面的運(yùn)動，形成所謂的步行復(fù)合運(yùn)動，這也是步行運(yùn)動復(fù)雜性的體現(xiàn)，是仿生下肢設(shè)計(jì)的難點(diǎn)問題。 (2)步行運(yùn)動序列 一個完整的行走循環(huán)周期即為一個跨步，一個跨步包括了兩個步長。如圖2-4所示，步行的一個跨步分為單相支撐期和雙相支撐期兩個階段。單腿支撐相期間表現(xiàn)為一條腿接觸地面，另一條腿處于擺動中，因此這一時期又被稱為某條腿的擺動相。它從一只腳離開地面開始到同只腳與地面發(fā)生碰撞結(jié)束。在人的步行運(yùn)動中，單腿支撐相占跨步時間的80%-90%。雙腿支撐相是兩條腿同時接觸地面的時期，在人的步行運(yùn)動中，這一狀態(tài)只占跨步周期的10%-20%。由圖2-4可見，單相支撐期長而雙相支撐期較短。就單下肢腿而言，又分為支撐相和擺動相，如上所述，在單相支撐期，有一條腿占用一部分跨步時間和地面接觸，即為支撐相，該腿為支撐腿，可以支撐身體以及改變前進(jìn)速度。同樣，另一條腿占用一定的跨步時間向前擺動，作為擺動相，處于擺動相的腿成為擺動腿，這期間擺動腿離開地面向前擺動至下一個支撐相。在一個跨步中左右腿均分別占有一個支撐相和一個擺動相，但支撐相和擺動相的時間一般不相同。因此兩腿運(yùn)動的相互關(guān)系常常是定義運(yùn)動模式的一個因素。例如，跑動中左右腿的運(yùn)動就是完全不同步的，而跳躍中兩腿的運(yùn)動就完全是同步的。圖2-4 單腿步行運(yùn)動序列及狀態(tài)劃分 從力學(xué)特性來看，當(dāng)人在行走時，通過后腳對地面的作用而獲得地面對人的推力，從而產(chǎn)生向前的加速度。當(dāng)人的前腳著地的時候，地面對人的作用是阻礙其向前運(yùn)動的，因此，會使人產(chǎn)生負(fù)的加速度，即人做減速運(yùn)動。人在不斷地邁步前進(jìn)的過程中，推力在做周期性的變化，加速度也就做周期性的變化。隨著重心的前移，最終完成向前跨步動作。 步行中相關(guān)運(yùn)動參考點(diǎn)的運(yùn)動軌跡是描述步行運(yùn)動的又一指標(biāo)。關(guān)節(jié)點(diǎn)的軌跡曲線是行走的時間序列上捕獲相關(guān)參考點(diǎn)的運(yùn)動位置，在離散位置點(diǎn)插值或擬合而成的參考點(diǎn)運(yùn)動曲線。 人體下肢的運(yùn)動主要運(yùn)動是矢狀面內(nèi)的屈/伸運(yùn)動，圖2-5所示為單腿的骸關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的矢狀面軌跡曲線。仿真環(huán)境下直觀的連續(xù)獲取圖像觀察得到的主要參考點(diǎn)的矢狀面軌跡 。腳掌的運(yùn)動及踝關(guān)節(jié)在支撐狀態(tài)矢狀面的軌跡如圖2-6所示。 圖2-5 單腿運(yùn)動演示運(yùn)動軌跡圖 圖2-6 腳掌運(yùn)動及踝關(guān)節(jié)軌跡 己知關(guān)節(jié)的運(yùn)動角度變化數(shù)據(jù)，根據(jù)人體運(yùn)動的實(shí)際情況研究各個關(guān)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動軌跡也可以采用解析求解方法。 (3)各關(guān)節(jié)在步行運(yùn)動中的功能分析 根據(jù)上述分析知，下肢各關(guān)節(jié)活動范圍大小各不相同，同時決定了各個關(guān)節(jié)在步行運(yùn)動中的功能有所不同。 圖2-7為理想直行的運(yùn)動序列模型。步行中，矢狀面的3個屈伸運(yùn)動自由度是前行的最主要運(yùn)動。理想直線行走的過程中，骸關(guān)節(jié)額狀面收展運(yùn)動較小，主要調(diào)節(jié)單相支撐時身體左右兩側(cè)的重心平衡，水平面旋內(nèi)、旋外自由度主要控制運(yùn)動方向的改變，調(diào)節(jié)運(yùn)動平衡并影響步幅大小。身體的一個跨步中，骸關(guān)節(jié)側(cè)轉(zhuǎn)實(shí)質(zhì)上是由兩個球窩關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動和兩條腿的步態(tài)相位差來完成。在跨步過程中，骸關(guān)節(jié)內(nèi)外旋運(yùn)動使軀干水平面內(nèi)兩側(cè)骸關(guān)節(jié)前后傾斜，重心前移。圖2-7 下肢骨骼步行運(yùn)動模型 膝關(guān)節(jié)做屈伸運(yùn)動，運(yùn)動直接影響跨步長，同時，在慣性矩作用下調(diào)節(jié)矢狀面的運(yùn)動平衡。 踝關(guān)節(jié)屈伸用于調(diào)節(jié)人體相對于地面的受力點(diǎn)，以此控制步行起停與支撐狀態(tài)的平衡，而收展和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動主要調(diào)節(jié)支撐狀態(tài)下的受力平衡。第三章 穿戴式機(jī)械腿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.1穿戴式機(jī)械腿設(shè)計(jì) 外骨骼連桿尺寸的確定要依據(jù)穿戴者的骨骼關(guān)節(jié)尺寸設(shè)計(jì)。根據(jù)前面章節(jié)的論述，人體的各個部位長度之間的相對比例是基本固定的。按圖2-11 b)，人的總身高為H，則骸關(guān)節(jié)中心距為0.191H,骸關(guān)節(jié)與地面的距離為0.530H，膝關(guān)節(jié)至地面為0.285H，而踩關(guān)節(jié)至地面為0.039H。由此可以得到各個關(guān)節(jié)之間的相對長度，即大腿長為0.245H，小腿長為0.246H，腳底距踩關(guān)節(jié)中心為0.039H o在構(gòu)型設(shè)計(jì)時充分考慮了身高兼容性，在較大范圍內(nèi)具有適應(yīng)性，所以連桿尺寸要可調(diào)整。例如大多數(shù)人身高在155-185cm之間，因此其大腿、小腿連桿長度變化范圍各應(yīng)允許10厘米左右的可調(diào)整范圍。3.1.1三維模型設(shè)計(jì) 此模型有14個旋轉(zhuǎn)副，單下肢各7個，骸部關(guān)節(jié)有收展、屈伸和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動3DOF，膝關(guān)節(jié)1DOF，腳踩關(guān)節(jié)有相互正交的屈伸、收展和旋轉(zhuǎn)3DOF。另外大腿位置設(shè)計(jì)了凸輪滑槽與滑移副機(jī)構(gòu)。模型整體裝配圖及模型腿部如圖3-1示及3-2所示。圖3-1 模型整體裝配圖 兩條機(jī)械腿可以擺動，可以完成一個步行序列，擺動最大角度可為45度，保證人正常行走，并且表面打光滑，沒有什么毛糙部分，這樣既美觀又安全，使人能夠舒適穿戴此機(jī)械腿。圖3-2 模型腿部 腿部模型包括大小腿，3個關(guān)節(jié)型，開孔是為了調(diào)整長度，因?yàn)槿说纳砀哂懈甙?，下面會對大小腿和關(guān)節(jié)型做詳細(xì)說明。3.1.2膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)及腳部設(shè)計(jì) 膝關(guān)節(jié)有1DOF，完成沿額狀軸的較大幅度的屈伸活動，可通過調(diào)整穿戴位置與骨骼膝關(guān)節(jié)同軸。膝關(guān)節(jié)的三維設(shè)計(jì)如圖3-3。圖3-3 膝關(guān)節(jié)設(shè)計(jì) 此關(guān)節(jié)，我覺得是最好的關(guān)節(jié)型，因?yàn)?，它轉(zhuǎn)動幅度大，安裝方便，還比較安全美觀，不過這種關(guān)節(jié)型，潤滑是最重要的，畢竟中間沒有滾珠，都是面與面接觸，所以我設(shè)計(jì)這種模型，需要定期加潤滑油，減少表面粗糙度。 腳踝設(shè)計(jì)也存在骸關(guān)節(jié)同樣的問題，即收展關(guān)節(jié)運(yùn)動不同軸而產(chǎn)生的偏差?？紤]到腳踝外側(cè)空間位置及腳部的連接，盡量使設(shè)計(jì)緊湊、貼近人體，從而減小偏差。三關(guān)節(jié)運(yùn)動副外側(cè)布置，沿小腿連桿方向從上到下依次為屈伸運(yùn)動副、收展運(yùn)動副和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動副。屈伸關(guān)節(jié)運(yùn)動副與骨骼踝關(guān)節(jié)屈伸同軸線。壓力信息通過連接件與腳踝部分相連接的檢測鞋測得。檢測鞋與腳面有綁縛約束。腳踝設(shè)計(jì)，安裝效果如圖3-4，3-5及旋轉(zhuǎn)連接器3-6。圖3-4腳踝設(shè)計(jì) 此腳踝solidworks 3維圖，結(jié)構(gòu)比較符合人的小腿部分，與人體協(xié)調(diào)，設(shè)計(jì)也比較美觀。圖3-5 腳踝安裝效果圖 腳踝關(guān)節(jié)，跟上面關(guān)節(jié)型一樣，它也有轉(zhuǎn)動幅度大，安裝方便，還比較安全美觀等特點(diǎn)，同樣，潤滑是最重要的，中間沒有滾珠，都是面與面接觸，所以我設(shè)計(jì)這種模型，也需要定期加潤滑油，減少表面粗糙度。圖3-6 旋轉(zhuǎn)連接器 設(shè)計(jì)這個圖形時，參考了一篇論文，不過，我簡化了，他使用了滾珠去作為潤滑工具，我覺得這雖然比較不錯，不過對于我來說，一切簡單實(shí)用是最好的原則，使用面與面接觸，平常多加潤滑劑即可。 腿部連桿上有約束，膝以上約束位于外骨骼膝關(guān)節(jié)以上連桿根部膝關(guān)節(jié)附近。通過骸部的布位構(gòu)型和大小腿近膝關(guān)節(jié)約束保證了外骨骼穿戴緊湊，人機(jī)膝關(guān)節(jié)同步，協(xié)調(diào)誤差小。連桿在大小腿部分分別以較適合的空間位置以人體接近。腳部設(shè)計(jì)，跟平常鞋子一樣，使人腳穿進(jìn)去，固定，不滑動，在腳的兩側(cè)開孔，使得腳夾子能裝上，這樣使得腳能夠?qū)崒?shí)在在固定，如圖3-7腳部設(shè)計(jì)及3-8腳夾子設(shè)計(jì)。圖3-7 腳部設(shè)計(jì)圖 此結(jié)構(gòu)最容易設(shè)計(jì)錯誤的是安裝兩側(cè)小孔的螺釘，我們需要安裝螺釘，但是螺釘頭較大時，容易抵觸地面，使穿戴著行走不舒適，所以此點(diǎn)要注意。圖3-8 腳夾子設(shè)計(jì)圖 其中腳夾子開孔處，插入螺紋，使得兩個對應(yīng)的孔對齊，然后直接使用螺釘固定。材料我使用一般牛皮材料，為了實(shí)用該機(jī)構(gòu)的人，能夠舒服地穿上。3.1.3下肢連接器 根據(jù)人的身高情況，上下連接器，我開了多個孔，就是為了調(diào)節(jié)身高，身高高的，我們只需要兩個轉(zhuǎn)接最前面的孔對齊，然后，插入螺釘，最后固定，同理可以得出矮身高的大小腿長度。如下圖連接器圖3-9。圖3-9連接器3.1.4大小腿彈簧助力器及保護(hù) 此裝置需要助力器，通過研究，我使用四根彈簧連接，使得人在步行時能夠得到助力，考慮到，彈簧直接裸露到外面，與人體直接接觸，我們需要管子，把它們套在里面，保護(hù)人體，這樣既能夠得到助力，又能保護(hù)，如圖3-10彈簧，3-11管子。圖3-10 彈簧 彈簧，我使用了4根，其最大作用就是助力，作為支撐使用該機(jī)構(gòu)人的外力機(jī)，我這彈簧跟一般彈簧不同，我兩端生成圓環(huán)，為了就是能套上旋轉(zhuǎn)連接器突出的圓柱體。圖3-11 管子 管子我使用了3個，大腿位移大，相互對插，里面裝彈簧，而小腿，通過自己研究及參考人體運(yùn)動規(guī)律，小腿位移小，我直接連接上，就是單單作為保護(hù)裝置，不過，下面管子使用塑性材料，可以滿足一般形變。3.1.5下肢骸部設(shè)計(jì) 為了消除骸關(guān)節(jié)兩旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的穿戴干涉，在背部添加了背部旋轉(zhuǎn)運(yùn)動副。骸關(guān)節(jié)的3DOF位置關(guān)系由圖3-12所示。矢狀面的運(yùn)動范圍較大，收展運(yùn)動要滿足內(nèi)收和外展兩個方向的運(yùn)動，因此設(shè)計(jì)要充分考慮空間關(guān)系和限位。按照構(gòu)型設(shè)計(jì)的要求，收展關(guān)節(jié)位于背后，其軸線與屈伸關(guān)節(jié)軸線匯交于穿戴者骸關(guān)節(jié)中心，旋轉(zhuǎn)位于腿部外側(cè)屈伸關(guān)節(jié)上部，轉(zhuǎn)軸位于屈伸軸線正交處，屈伸關(guān)節(jié)位于外側(cè)軸線并通過人體模型骸關(guān)節(jié)中心。骸部機(jī)構(gòu)安裝腰部支撐，骸部收展關(guān)節(jié)位于體后側(cè)，可調(diào)整骸部安裝位置來保證收展關(guān)節(jié)軸線過骸關(guān)節(jié)球窩中心。機(jī)械零部件設(shè)計(jì)和安裝效果如圖3-13所示。圖3-12 骸關(guān)節(jié)的3DOF位置關(guān)系圖3-13 骸部機(jī)械設(shè)計(jì)圖 其中腰帶扣，跟上下連接器一樣，需要調(diào)節(jié)大小，因?yàn)槿擞信质?，所以，我在兩端開了幾個孔，跟腰帶對齊。其中3-14為腰帶，3-15為腰帶扣。圖3-14 腰帶圖 3-15 腰帶扣 腰帶扣就是為了固定腰帶，通過兩者孔對齊情況，使得它的腰部可以伸縮。3.1.6 腿部固定圖3-16 腿固定器 突出的圓柱，上面導(dǎo)螺紋，與轉(zhuǎn)接上的一小孔連接，可使大小腿不會脫離該裝置。中間開了兩個小孔，為了通繩子，這樣，可以固定在兩個大小腿上，如圖3-16所示。第四章 強(qiáng)度校核4.1 關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)連接器受力分析。 關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)接器的工作能力就是指它的強(qiáng)度、剛度和振動穩(wěn)定性等方面。關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)連接器的工作能力主要取決于它的強(qiáng)度，所以我們要進(jìn)行它的強(qiáng)度校核，以防止斷裂或塑性變形。進(jìn)行強(qiáng)度校核時，根據(jù)具體受載及應(yīng)力情況，通過solidworks上的SimulationXpress應(yīng)力計(jì)算，可以對此機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度校核情況有個很全面，直觀的看法