3003 康復機器人的系統(tǒng)設計

3003 康復機器人的系統(tǒng)設計,康復,痊愈,機器人,系統(tǒng),設計 哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文0第 1 章　緒論1.1　概述據(jù)報道，我國 60 歲以上的老年人已有 1.43 億，占全國人口的 11％，到2050 年將達到 4.37 億。在老齡人群眾中有大量的腦血管疾病或神經(jīng)系統(tǒng)疾病患者，這類患者多數(shù)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(xiàn)偏癱的人數(shù)不斷增多，而且在年齡上呈現(xiàn)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(jīng)心痛損傷或者肢體損傷的人數(shù)也越來越多。在美國數(shù)以百萬計的有神經(jīng)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(jīng)濟的發(fā)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(zhì)量，治療、康復和服務于他們的產(chǎn)品的技術和質(zhì)量也在相應地提高。隨著機器人技術和康復醫(yī)學的發(fā)展，在歐洲、美國和日本等國家，醫(yī)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(yī)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(jù)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(fā)展前景 [2]?？祻蜋C器人是康復設備的一種類型?？祻蜋C器人技術早已廣受世界各國科研工作者和醫(yī)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(yī)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(fā)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(yī)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(tài)康復訓練哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文1系統(tǒng)，幫助病人更好地進行康復訓練，減輕他人的幫助，挺高效果。1.2　康復機器人的國內(nèi)外研究現(xiàn)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(yè)護理人員缺乏和醫(yī)療費用昂貴的問題，可以避免由于訓練方法不科學和專業(yè)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(zhì)量等?？祻蜋C器人是一種自動化醫(yī)療康復設備，它以醫(yī)學理論為依據(jù)，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(jīng)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(yī)學的發(fā)展，也帶動了相關領域的新技術和新理論的發(fā)展?？祻蜋C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(chǎn)品有機器人輪椅、機器人護士、機器人假肢、機械外骨骼等?？祻陀柧殭C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(chǎn)品有行走訓練、手臂運動訓練、脊椎運動訓練等?？祻蜋C器人是康復醫(yī)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(yī)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(nèi)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(fā)展主要經(jīng)歷了幾個階段。由早期的簡單步行訓練機發(fā)展到現(xiàn)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(fā)展的下肢康復訓練系統(tǒng)是借助于跑步機、懸吊系統(tǒng)等幫助患者進行運動訓練，此種產(chǎn)品結構簡單、價格便宜，但訓練過程中必須有專業(yè)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，如圖哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文21.1、圖 1.2 所示。圖 1.1、圖 1.2 中的步行訓練機，它的功能單一、價格便宜，而且需要在專業(yè)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 1.1　步行訓練機 [3] 圖 1.2　懸掛式步行訓練機 [4]隨著機器人技術和康復醫(yī)學的發(fā)展，人們對人的行走步態(tài)有了比較清楚的認識，開發(fā)出了一些符合人體康復需要的產(chǎn)品。德國柏林自由大學(Free University of Berlin)開展了腿部康復機器人的研究 [5]，并研制了 MGT 型康復機器人樣機(圖 1.3)。瑞士蘇黎士聯(lián)邦工業(yè)大學(ETH)在腿部康復機構、走步狀態(tài)分析方面也取得了一些成果，在漢諾威 2001 年世界工業(yè)展覽會上展出了名為LOKOMAT(圖 1.4)的康復機器人模型。LOKOMAT 機器人主要由步態(tài)矯正器、先進的體重支持系統(tǒng)和跑臺組成。LOKOMAT 機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(diào)整訓練參數(shù)以適合不同患者的需要 [6]。 哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文3圖 1.3　MGT 型康復機器人 圖 1.4　LOKOMAT 機器人 德國柏林的 IPK 研究所研制的 Robotic Gait Rehabilitation，通過一個可編程控制的腳踏板來帶動患者實現(xiàn)步態(tài)的軌跡模擬，這個腳踏板由直線電機帶動實現(xiàn)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 1.5） 。圖 1.5　robotic gait rehabilitation 系統(tǒng)在試驗中哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文4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”（BLEEX） [8]，BLEEX 包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 1.6） 。圖1.6　BLEEX日本筑波大學Cybernics實驗室的科學家和工程師們，研制出了世界上第一種商業(yè)外骨骼機器人(Hybrid Assistive Leg ，HAL) [9](圖1.7)，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HAL“混合輔助腿” 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](Power Assist Suit)(圖1.8）可使人的力量增加 0.5-1倍，使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?，F(xiàn)在已經(jīng)有殘疾人在這種機器人的幫助下實現(xiàn)了登山運動。哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文5圖1.7　HAL機器人圖1.8　Power Assist Suit美國NPH研究中心開創(chuàng)了機器人系統(tǒng)量化步行能力和步態(tài)失調(diào)的研究領域，根據(jù)活動依賴神經(jīng)系統(tǒng)的可塑性，量化和評估模式肌電圖在步態(tài)等方面的作用，建立數(shù)學模型模擬的感覺運動障礙。圖1.9為NPH的機器人在實驗中。哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文6圖1.9　NPH的機器人在進行試驗在我國，康復醫(yī)療工程已經(jīng)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(fā)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(nèi)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(xiàn)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(tài)、踝關節(jié)的運動姿態(tài)以及重心的運動規(guī)律，帶動下肢做行走運動，實現(xiàn)對下肢各個關節(jié)的運動訓練、肌肉的鍛煉以及神經(jīng)功能的恢復訓練。通過獲取腳的受力狀態(tài)、腿部肌肉狀態(tài)和下肢關節(jié)狀態(tài)等人體的生物信息，協(xié)調(diào)重心控制系統(tǒng)和步態(tài)系統(tǒng)的運動關系，使之與人體運動狀態(tài)相協(xié)調(diào)，獲得最佳訓練效果。圖1.10 、圖1.11 所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(tài)姿態(tài)控制的下肢康復機器人系統(tǒng) [11]。哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文7圖1.9　臥式下肢康復機器人 圖1.10　下肢康復訓練機器人1.3　本課題主要研究內(nèi)容本文“基于姿態(tài)控制步態(tài)康復訓練系統(tǒng)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(tǒng)的設計。課題內(nèi)容主要包括：1.步態(tài)康復訓練系統(tǒng)的結構方案設計及運動學分析，包括人體行走的步態(tài)、自由度的設計、基本參數(shù)的選取、整體結構設計等。2.機器人機械本體結構的設計與計算，包括姿態(tài)控制結構設計和減重結構設計。3.機器人驅動器的供氣控制系統(tǒng)的設計。哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文8第 2 章　總體方案設計與選擇的論證2.1　步態(tài)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(tài)訓練。正常人在行走時腳在一個步態(tài)周期內(nèi)的運動情況如圖 2.1 所示 [12]。圖 2.1　步態(tài)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。支撐哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文9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(nèi)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(tài)各重要階段動作:(1)腳后跟受 :一般的步態(tài)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。哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文10在一個步態(tài)周期的各個時間點，各個關節(jié)的角度和所受到的力矩不同。下面從圖 2.2～圖 2.7 顯示了一個 75kg 的人以 1.3m/s 的步行速度在平地上走時，髖關節(jié)、膝關節(jié)、踝關節(jié)三處關節(jié)在一個步行周期內(nèi)不同階段的轉角和力矩變化 [13][14][15]。圖2.2　步行周期內(nèi)踝關節(jié)的角度變化　　　　　　　　圖2.3　踝關節(jié)力矩變化由圖2.2、2.3可知步行時踝關節(jié)處力矩的最大值為-120N，角度范圍為-20 ～15 。??由圖2.4、2.5可知步行時踝關節(jié)處力矩的最大值為60N ，角度范圍為-70～0 。?由圖2.6、2.7可知步行時踝關節(jié)處力矩的最大值為-80N，角度范圍為-20～30 。??為了模擬人體行走的正常步態(tài)，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(jié)的運動（角度、力矩）和人體行走時關節(jié)的運動（角度、力矩）應該近似。為本設計就是根據(jù)這個原則進行設計的。哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文11圖2.4 膝關節(jié)的角度變化 圖2.5 膝關節(jié)的力矩變化圖2.6 髖關節(jié)角度變化 圖2.7 髖關節(jié)力矩變化2.2　方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(jié)、膝關節(jié)和踝關節(jié)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2.8。它由減重機構、姿態(tài)控制機構、運動平板等組成。哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文12圖 2.8　機器人的功能模型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(diào)節(jié)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(diào)節(jié)速度，使適應人體行走的不同速度需要。姿態(tài)控制機構主要模仿人體下肢關節(jié)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(jié)是人體運動的樞紐，是傳遞載荷、保持能量、協(xié)助運動的重要器官。關節(jié)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(jié)運動來帶動肌肉進哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文13行收縮運動，可以恢復和保持肌肉的收縮功能。髖肩關節(jié)、膝關節(jié)、踝關節(jié)是人體下肢關節(jié)中的三個主要關節(jié)。關節(jié)的運動學特征主要包括兩部分：一是關節(jié)的活動幅度，二是如何達到這個活動范圍。本設計就是根據(jù)這個原則進行的。2.2.1　自由度的設計人體下肢的靈活度很高，關節(jié)比較復雜。下肢運動關節(jié)主要包括髖關節(jié)、膝關節(jié)、踝關節(jié) 3 個部分。髖關節(jié)是球窩關節(jié)，它的活動形式有 3 種，分別是向前伸展/向后伸展（hip flexion/extension） 、側向內(nèi)轉/外展（hip duction/adduction） 、和向內(nèi)外扭轉（ hip rotation） 。膝關節(jié)有向前伸展/ 向后伸展（knee flexion/extension）和側向內(nèi)轉/外展（ hip abduction/adduction）兩種活動形式。踝關節(jié)有背/跖屈（ankle plantarflexion/dorsiflexion） 、側向內(nèi)轉/外展（ankle abduction/adduction） 、向內(nèi)外扭轉（ankle rotation）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(jié)的康復運動的機器人非常難?？紤]到有些關節(jié)運動消耗的能量小和結合康復醫(yī)學的相關知識，確定 3 個自由度：髖關節(jié)的向前伸展、向后伸展，膝關節(jié)的向前伸展、向后伸展，踝關節(jié)的背曲和跖曲?？傮w結構有兩條腿和一個減重機構共 7 個自由度。2.2.2　基本參數(shù)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(jié)的運動范圍決定了下至康復機器人的關節(jié)運動范圍。下肢康復機器人的關節(jié)運動范圍至少要和人體行走時關節(jié)范圍一致。為了安全，機器人的關節(jié)運動范圍一般要小于人體關節(jié)運動范圍的最大值。參考人體下肢各關節(jié)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(jié)在行走狀態(tài)的最大值，具體數(shù)值見表2.1。哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文14表 2.1　各關節(jié)的運動范圍（°）關節(jié)活動形式 人體行走最大值機器人關節(jié)取值人體關節(jié)活動最大值髖關節(jié)向前伸展 32.2 45 119髖關節(jié)向后伸展 -22.5 -30 -70膝關節(jié)向前伸展 0 0 0膝關節(jié)向后伸展 -73.5 -80 -136踝關節(jié)背曲 14.1 30 46踝關節(jié)跖曲 -20.6 -30 -43注：各關節(jié)的零度位置是：人體雙腳并立，垂直站立。2.2.3　驅動器的選擇康復機器人不同于工業(yè)機器人，因為它特殊的使用場合和使用對象，要求在能夠完成功能的前提下，整個康復要要安全、柔順。本設計中的驅動器選擇直線氣缸。因為由傳統(tǒng)的電、液驅動的馬達或液壓缸驅動結構復雜，所需能源的消耗較大?？紤]到安裝和運動的方便，采用圓形氣缸。2.2.4　關節(jié)結構的選擇各個關節(jié)均為旋轉關節(jié)。滾動軸承傳動有摩擦阻力小，功率消耗少，啟動容易等優(yōu)點，可以充分利用氣缸所作的功，減小機構體積。2.2.5　連桿結構的選擇作為下肢大小腿的連桿機構既是傳動裝置又是執(zhí)行裝置。連桿的長度精度要求較高，若大腿連桿或小腿連桿長度與使用者大腿或小腿長度不同，將會導致兩者髖關節(jié)軸線、膝關節(jié)軸線和踝關節(jié)軸線不同軸，這會直接導致兩哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文15者在運動狀態(tài)中出現(xiàn)運動干涉現(xiàn)象，兩者偏差較大時，整個人一機混合系統(tǒng)將無法正常工作。因此，在進行大、小腿機械連桿設計時，把連桿設計成長度可調(diào)節(jié)的結構體尤為重要。其優(yōu)點:①可避免出現(xiàn)實驗對象單一化，擴大使用對象;②有利于關節(jié)同軸度的調(diào)整，避免運動干涉現(xiàn)象。連桿設計時，要注意以下問題:1)承載能力。連桿不僅是傳動裝置，而且也是執(zhí)行裝置，要考慮連桿自身重量、氣缸的重量和實驗對象(人體下肢各段)的重量。2)剛度。為防止連桿在運動過程中產(chǎn)生過大的變形，從而影響到機器人的定位精度，因此，剛度必須滿足要求。3)重量輕、轉動慣量小。為提高機器人的反應速度、降低能耗和節(jié)省材料，要盡量減少其自身特別是運動部分重量。本設計中連桿結構采用內(nèi)外桿結構通過調(diào)節(jié)內(nèi)外桿之間的固定位置調(diào)整連桿的長度（即大小腿的長度） 。2.2.6　腰部結構設計腰部結構主要為患者腰部提供支持和下肢與框架的鏈接。腰帶一方面可以對機械骸關節(jié)進行固定作用，另一方面在人行走過程中，當一支人機混合腿抬起時，即其處于擺動期時，其機械腿的部分重量可通過鋼制腰帶轉移到另一支處于支撐狀態(tài)的機械腿上，這樣可以部分分擔因一支腿抬起時，機械腿自重對使用者產(chǎn)生的負重效應。另外，由于腰帶是鋼質(zhì)結構，其直接作用于人體的腰部會給人帶人不舒服感。因此，我們要在鋼質(zhì)腰帶與人體腰部之間加填了一軟制護腰帶，金屬帶與護腰帶之間通過自粘帶連接在一起要考慮到不同患者腰圍的不同，所以要有調(diào)整結構，可以考慮用鉸鏈結構。2.2.7　減重機構下肢殘疾病人的下肢力量往往不能給正常步行提供足夠的力，所以在設計康復系統(tǒng)時要考慮到減重機構，在康復訓練時減輕身體重力作用在腿上的力，使作用在腿上的力為身體重力大小的一部分。考慮到各個病人腿部力量哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文16的不同，減重比例要可以調(diào)節(jié)，要從 0～100%。2.2.8　整體結構設計設計總體結構時，要考慮到裝配工藝過程和整體效果，如：桿件各零件的裝配順序，氣缸和桿件之間的干涉，軸承與軸承座裝配，關節(jié)間的連接方式，外部框架之間的安裝，減重結構與外部框架的鏈接，下肢與外部框架的連接。具體裝配方式見總體裝配圖。2.3　本章總結本章在對康復機器人步態(tài)分析了解的基礎上，構建用氣缸作驅動器的下肢康復機器人的結構方案。包括自由度的選擇，基本參數(shù)的選取，驅動器的選擇，關節(jié)結構的選擇，連桿結構的選擇，腰部結構的選擇，減重結構的選擇，整個機構的裝配特性、工藝特性的考慮。在后面的章節(jié)中將具體進行具體結構的設計、標準件的選型、非標準件的設計、氣缸的選型計算等。哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文17第 3 章　機械結構的設計與計算及驅動元件選型本章設計了康復機器人機械部分的結構和驅動元件的選型，對機械下肢的運動學部分進行分析。3.1　人體參數(shù)本設計的機械部分是要與人體下肢接觸的，它的關節(jié)、腿長等的設計要借鑒人體下肢的一些參數(shù)，在零件的選擇和校核計算過程中也要用到這些參數(shù)，具體參數(shù)見表3.1。表3.1　中國青年幾何統(tǒng)計表數(shù)據(jù)足 小腿 大腿質(zhì)量 /kg 0.885 2.196 8.497長度 /mm 249 376 502質(zhì)心長度/mm 38 224 254腿圍 /mm 253 355 507因為本設計是要帶動人的下肢進行關節(jié)旋轉運動的，所以機器人下肢的旋轉角度和運動靈活性也要和人行走時的下肢接近?？紤]到本設計的使用對象是有運動功能障礙的患者，所以確定各旋轉關節(jié)運動為：髖關節(jié)向前伸展范圍為45 ，向后伸展為 30 ；膝關節(jié)屈伸范圍為 80 ；踝關節(jié)向上折屈范圍???為30 ，向下伸展為30 。角度范圍的選擇是根據(jù)第 2章中青年男子在行走時關節(jié)活動角度數(shù)據(jù)而定的。3.2　各關節(jié)運動學分析本設計中的關節(jié)均為旋轉關節(jié)，它由上下桿件和兩塊關節(jié)連接板，軸承及軸承蓋和傳感器組成。具體結構見裝配圖。哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文183.2.1 踝關節(jié)的運動學分析圖 3.1　所示為下肢踝關節(jié)的運動學模型示意圖。 Ｌ 2 是小腿桿的一部分的長度， Ｌ 1 是氣缸端部安裝孔距小腿桿中心線的距離，L 3 是關節(jié)中心到氣缸活塞桿接頭關節(jié)軸承中心的距離，L 為氣缸的長度（包括附件接頭的長度），R 為關節(jié)中心 O 點到 L 的距離，θ 為關節(jié)轉過的角度。圖3.1　踝關節(jié)運動學模型其中L 1=110，L 2=313，L 3=178，單位為毫米，α=100°，θ的范圍為－30°—+30°。氣缸的長度（包括附件接頭的長度） Ｌ 由下面公式（3.1）???????????? 21213221 arctncosL??計算出的L范圍為 310——450，行程為140。R的最小值為 110。3.2.2 膝關節(jié)的運動學分析圖3.2　所示為下肢膝關節(jié)的運動學模型示意圖。 Ｌ 2是大腿桿的一部分的長度， Ｌ 1是氣缸端部安裝孔距關節(jié)中心水平方向上的的距離，L 3是關節(jié)哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文19中心到氣缸活塞桿接頭關節(jié)軸承中心的距離，L為氣缸的長度（包括附件接頭的長度），R為關節(jié)中心到L的距離，θ為關節(jié)轉過的角度。圖3.2 膝關節(jié)機構運動學模型其中L 1=110，L 2=402，L 3=171，α=120°，氣缸 L的長度可由公式(3.1)算出。計算出的L的范圍為350——500，行程為150。 R的最小值為110。3.2.3 髖關節(jié)的運動學分析圖3.3　所示為下肢髖關節(jié)的運動學模型示意圖。 Ｌ 2是大腿桿的一部分的長度， Ｌ 1是氣缸端部安裝孔距關節(jié)中心水平方向上的的距離，L 3是關節(jié)中心到氣缸活塞桿接頭關節(jié)軸承中心的距離，L為氣缸的長度（包括附件接頭的長度），R為關節(jié)中心到L的距離，θ為關節(jié)轉過的角度。其中 Ｌ 1=60，L 2=340，L 3=135，α =120°，θ的范圍為－30° — +45°。氣缸L的長度可由公式 (3.1)算出。計算出的L的范圍為350-450，行程為100。R的最小值為74。哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文20圖3.3　髖關節(jié)機構運動學模型3.3　關節(jié)力矩分析由于本設計的機械結構部分的作的是低速運動，所以零件的選擇從靜力學角度分析和計算。圖3.4　力矩分析示意圖其中：哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文21、 、 ―分別為髖關節(jié)、膝關節(jié)和踝關節(jié)的旋轉角度，以 軸正方1?23 x向為初始位置，圖中所示角度的轉向為正向、 ―分別為大腿和小腿的長度 '1l'2、 、 ― 分別為大腿、小腿和足的質(zhì)心 c3、 、 ―分別是大腿、小腿和足的質(zhì)心到相應關節(jié)的距離。1l2l根據(jù)力矩方程（3.2）TFl??得到各關節(jié)的力矩方程分別為 ' ' '112123123cos(cos)(coscos)Tmglgllmglll????????（3.3）'22323cos(cos)Tglgll???（3.4）33cosTmgl??（3.5）式中： 、 、 ―分別是各質(zhì)心處的質(zhì)量，包括人體和機械結構總質(zhì)量。1m23在下面的計算過程中，力矩 的計算式均是按式（3.3）、（3.4）、T（3.5）的原理計算的，所不同的是，下面的計算均取的是極限位置，即各關節(jié)受到最大力矩的位置。3.4　具體結構設計3.4.1　關節(jié)結構的選擇各個關節(jié)均為旋轉關節(jié)，實現(xiàn)結構如圖 3.5 所示。滾動軸承傳動有摩擦阻力小，功率消耗少，啟動容易等優(yōu)點，可以充分利用氣缸所作的功，減小機構體積。通過關節(jié)連接板將關節(jié)的兩個桿件連接在一起，而且整個機構零哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文22件分散，零件個體小，可以使整個關節(jié)結構輕便小巧、安全。圖3.5　關節(jié)結構圖3.4.2　連桿結構的選擇作為下肢大小腿的連桿機構既是傳動裝置又是執(zhí)行裝置。連桿的長度精度要求較高，本設計中連桿結構采用內(nèi)外桿結構通過調(diào)節(jié)內(nèi)外桿之間固定位置調(diào)整連桿的長度（即大小腿的長度） 。如圖 3.6 為小腿的結構，圖 3.7 為大腿的結構。圖 3.6　小腿的結構 圖 3.7　大腿的結構哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文233.4.3　腰部結構設計腰部結構主要為患者腰部提供支持和下肢與框架的鏈接。為適應不同腰圍患者的需求，腰部結構中有鉸鏈調(diào)整結構，可以調(diào)整腰圍大小。同時為了適應人體行走時骨盆上下運動，腰部結構中有可以轉動的關節(jié)結構。如圖3.8 是實體效果圖。圖 3.8 腰部實體效果圖3.4.4　減重機構減重機構如圖 3.9 所示，它由滑車內(nèi)的氣缸帶動安全帶上下運動，安全帶上的力傳感器檢測安全帶上的力的變化，并根據(jù)力的變化調(diào)整減重氣缸的供氣壓力，使得氣缸提供恒定拉力，減重機構起到恒力減重作用。哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文24圖 3.9　減重機構圖3.4.5　整體結構設計設計總體結構時，要考慮到裝配工藝過程和整體效果。具體裝配方式見總體裝配圖。如圖3.10是Pro-E實體效果圖。圖 3.10　Pro-E 實體效果圖哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文253.5　一些零件的設計和校核3.5.1　軸承的選擇及校核本設計中的軸承主要承受徑向力，所以選用深溝球軸承6000,它的徑向基本額定動載荷C=13.2kN ，預期壽命L=500 小時。最大當量動載荷P=600N，壽命指數(shù) ε=3，轉速n=60r/min,軸承基本額定壽命L h（單位為小時)為 LPCh ?????????66102n01?所選軸承6000符合要求3.5.2 氣缸的選擇 本設計中用到的氣缸是根據(jù)德國Festo公司提供的型號選用的 ，[2]1.類型根據(jù)工作要求和條件，選擇雙作用單耳環(huán)氣缸。2.安裝方式根據(jù)工作條件，選擇擺動式單耳環(huán)氣缸。3.作用力大小負載力F，負載率η =70%，氣缸輸出力F 拉 =F\η，F(xiàn) 推 =F\η，氣體壓力P=0.6MPa ，由公式 F拉 = 2dDP??（3.6）和F 推 = 2-（3.7）由于F 拉 10MPa）。氣缸的供::氣壓力為0.6MPa，所以選擇低壓型空氣壓縮機?？諝鈮嚎s機按工作原理分為三類：活塞式、螺桿式和透平式。本設計的場合是醫(yī)院、康復中心、家庭等，要求空氣壓縮機的振動和噪聲要小。螺桿式空壓機的脈動小，振動小，噪音小，符合本設計的要求，所以選擇螺桿式空氣壓縮機。（1）空氣壓縮機的輸出壓力 ｐ a（4.1）pp????式中 ｐ a　—— 空壓機的輸出壓力，MPa；p ——氣動元件的最高使用壓力，MPa；——啟動系統(tǒng)的總壓力損失，MPa。??本設計中 ｐ =0.6MPa， =0.15~0.2MPa，由公式（ 4.1）可得：?pｐ a=0.75~0.8MPa（2）空氣壓縮機的吸入流量q a（4.2）bakq?式中q a　—— 空壓機的吸入流量，m 3/min (ANR)；qb　——氣動系統(tǒng)的平均耗氣量，m 3/min (ANR)；k　——修正系數(shù)， k=1.5~2.0。本設計中q b=0.6m3/min (ANR)，由公式（4.2）可得：qa=0.1m3/min (ANR)（3）空氣壓縮機的功率P哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文34?????????????????????106.11KnapqKnP（4.3）式中P　——空壓機的功率，kW；p1　——吸入空氣的絕對壓力，MPa；K　— —等熵指數(shù)，K =1.4；pa　——輸出空氣的絕對壓力，MPa；qa　 ——空壓機的吸入流量，m 3/min (ANR)；n　——中間冷卻器個數(shù)。本設計中p 1=0.1MPa，p a=0.8MPa，q a= 0.1m3/min (ANR)，n=1，由公式（4.3）可得：P=1.35kW所選的空氣壓縮機型號為：德國BOGE公司的微油螺桿式空壓機 CL3，排氣量：231L/MIN，工作壓力：8BAR ，馬達功率：2.2KW ，2、后冷卻器從空壓機中輸出的壓縮空氣溫度可達180 ，在此溫度下，壓縮空氣中?的水分完全呈氣態(tài)，如直接送入氣罐和氣動設備，將會帶來不良后果。后冷卻器的作用就是將從氣泵出來的高溫空氣冷卻至 以下，將大量水蒸氣40C?和變質(zhì)油霧冷卻成液態(tài)水滴和油滴，以便將它們清除掉。 后冷卻器分為風冷式（HAA系列）和水冷式（HAW系列）兩種。風冷式它是靠風扇產(chǎn)生的冷空氣吹向帶散熱片的熱氣管道來降低壓縮空氣溫度的。占地面積小、重量輕、緊湊、運轉成本低，適用于進口空氣溫度低于100 ，處理空氣量較少的場合。風冷式的這些特點很適合本設計的要求，C?選用SMC公司的HAA22，主要參數(shù)見表 4.1。哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文35表4.1　風冷式后冷卻器（HAA22）的技術參數(shù)額定流量（L/min）最高使用壓力（MPa）適用壓縮機功率（kW）進口空氣溫度（ ）C?出口空氣溫度（ ）?3300 1.0 22 5～100 <40 3、主管路過濾器氣體經(jīng)空氣壓縮機后，先經(jīng)過主管道到各支管管道，在主管道中設置主管過濾器，在支管中再按工作需要裝置各種除塵、除油和除臭的過濾器。主路過濾器的作用是清除壓縮空氣中的油污、水、粉塵等，以提高下游干燥器的工作效率，延長精密過濾器的使用壽。本設計選用SMC公司AFF系列中的AFF22B型號主路過濾器，主要參數(shù)見表4.2。表4.2　AFF22B主路過濾器的主要參數(shù)額定流量（L/min）使用壓力范圍（MPa）額定流量下的壓降（L/min）環(huán)境和介質(zhì)溫度（）C?3500 　　0.15 1.0:　　0.012 　　5 60:4、空氣干燥器壓縮空氣經(jīng)后冷卻器、主管路過濾器得到初步的凈化后，仍含有一定量的水蒸氣。氣動回路在充排氣過程中，元件內(nèi)部存在高速流動處或氣流發(fā)生絕熱膨脹處，溫度要下降，空氣中的水蒸氣就會冷凝成水滴，這對氣動元件的工作產(chǎn)生不利的影響，所以需要干燥器來進一步清除水蒸氣。干燥器就是用來清除水蒸氣的。干燥器有高分子隔膜式、冷凍式和吸附式等。為了使用的方便，本設計選用高分子隔膜式干燥器（IDG系列）。這種干燥器的特點是：體積小、重量輕、無需排水器，帶露點顯示器，不用氟利昂，不用電源，無震動，無排熱，使用壽命長，安裝方便，除水率高等。符合本設計的要求，所以本設計哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文36所選用SMC公司的IDG 系列中的IDG-H型號，它的主要參數(shù)如表 4.3。表4.3　IDG-H的技術參數(shù)進口壓力范圍（MPa）環(huán)境和介質(zhì)溫度（ ）C?輸出流量（L/min）分流流量（L/min）輸出空氣大氣壓露點（ ）C?0.3 1.0: 　-5 50:　25 1000: 3 110: -405、氣罐氣罐的作用主要是：消除壓力脈動；依靠絕熱膨脹及自然冷卻降溫，進一步分離掉壓縮空氣中的水分和油分；貯存一定量的壓縮空氣，一方面可解決短時間內(nèi)用氣量大于壓縮機輸出氣量的矛盾，另一方面可在空氣壓縮機出現(xiàn)故障時，維持短時間供氣，以便采取措施保證氣動設備的安全。這里估算氣罐的容積V??21max60PtqV??（4.4）式中： ―氣動系統(tǒng)的最大耗氣量，單位：L/min；maxq―氣動系統(tǒng)允許的最低工作壓力，單位：MPa；2P―突然停電時，氣罐內(nèi)的壓力，單位：MPa；1p―大氣壓力，取 MPa；a 0.1ap?―停電后，應維持氣動系統(tǒng)正常工作時間，單位：s 。t式中 =100L/min， =0.6MPa， =1MPa，t=20s，可得V min=10L。maxq2P1p氣罐選擇了SMC公司的AT6C 型號，技術參數(shù)見表 5.4。表4.4 AT6C的技術參數(shù)適用空壓機功率（kW）容積（L）最高使用壓力（MPa） 使用流體溫度（ ）C?哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文375.5 100 1.0 0 100:6、截止閥截止閥的作用是：在執(zhí)行元件不需要工作時或氣動系統(tǒng)出現(xiàn)問題時，用來切斷通路，或是它后面的通路中出現(xiàn)問題需要維修時，用來切斷該部分支路，不去影響其它支路的工作。截止閥選擇揚中市華威電力設備廠YZJ-2A J23W/H型外螺紋截止閥。7、除油器除油器可以分離掉主路過濾器和空氣過濾器難以分離掉0.3 5 m氣狀:?溶膠油粒子及大于0.3 m的銹末、碳粒，這些微粒會加速氣動元件的損壞。?本設計中采用SMC公司的 AM550的除油器，技術參數(shù)見表 5.5。表4.5　AM550 主路過濾器的主要參數(shù)額定流量（L/min）使用壓力范圍（MPa）額定流量下的壓降（L/min）環(huán)境和介質(zhì)溫度（）C?3500 　　0.05 1.0:　　0.025 　　5 60:8、除臭器除臭器的作用是除去壓縮空氣中的氣味及有害氣體，以獲得清潔室所要求的壓縮空氣，本設計的使用采用SMC 公司的AMF系列除臭器，其技術參數(shù)如表4.6所示。表4.6　AMF550主路過濾器的主要參數(shù)額定流量（L/min）使用壓力范圍（MPa）額定流量下的壓降（L/min）環(huán)境和介質(zhì)溫度（）C?3500 　　0.05 1.0:　　0.015 　　5 60:9、空氣過濾器在這里用的過濾器比主路過濾器的過濾精度高，為了進一步除去壓縮空氣中的固態(tài)雜質(zhì)，水滴和污油滴等。選擇的產(chǎn)品型號為SMC公司的AF-60的空氣過濾器。哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文3810、減壓閥減壓閥是出口側壓力可調(diào)（但低于進口側壓力），并能保持出口側壓力穩(wěn)定的壓力控制閥。它的作用是將較高的進口壓力調(diào)節(jié)降低到符合使用要求的出口壓力，并保證調(diào)節(jié)后出口的壓力穩(wěn)定。減壓閥按壓力調(diào)節(jié)方式有直動式減壓閥和先導式減壓閥兩種，經(jīng)比較選用先導式減壓閥，因為它調(diào)壓時操作輕便，流量特性好，穩(wěn)壓精度高，壓力特性好。本設計對設備的安全性要求較高，所以選了SMC公司的外部先導式精密型減壓閥(IR3120) ，它的主要技術參數(shù)如表4.7。表4.7　IR3120的技術參數(shù)最高進口壓力（MPa）最低進口壓力（MPa）調(diào)壓范圍（MPa）控制壓力（MPa）重復度1.0 0.1 0.01 0.8:0.01 0.8:0.5%??11、壓力表、消聲器壓力表的作用是測定并顯示氣動回路的壓力高于大氣壓力的值，用來保證回路需要的壓力。選擇的型號為江蘇金科儀表有限公司的Y-40壓力表。比例閥在工作過程中，因為壓縮空氣流量和速度的變化，引起振動，便產(chǎn)生了強烈的排氣噪聲。噪聲會損害人的聽覺，影響鍵康。本設計要與人體直接相連，它的環(huán)境不允許有噪音，所以需要消聲器。消聲器選擇的型號為上海中石化閥門制造有限公司的XSQ-1消聲器。12、比例流量閥流量型電氣比例閥作用是實現(xiàn)輸出流量進行比例控制。它的特點是：能實現(xiàn)程序控制、實現(xiàn)自動化；能實現(xiàn)連續(xù)控制、優(yōu)化系統(tǒng)功能；使用功率小、發(fā)熱少、噪聲低；不會發(fā)生火災、不污染環(huán)境、安全性高。這些特點很符合本設計的使用要求。結合本設計要求，選擇SMC 公司的先導式壓力型電氣比例閥中的 VEF型號，參數(shù)見表4.8。哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文39表4.8　VEF電氣比例閥的主要參數(shù)最大電流（A）最高供給壓力（MPa）額定消耗功率（w）電源電壓（V）使用溫度范圍（）C?1 1.0 13 DC24 10%? 0 50:13、兩位四通直動式電磁換向閥直動式電磁換向閥結構簡單，切換速度快，符合本設計的要求。選用德國 Festo 公司的 JMEH-4/2 電磁閥。4.2　康復機器人的訓練方式下肢功能性康復有多種治療方式，一種是由專業(yè)人員來調(diào)整力量和速度來達到患者的要求，另一種方式是由器械來完成訓練工作，可以在恒定低速狀態(tài)下對患肢進行重復訓練。下面介紹兩種常用的物理療法。（1）主動方式患者主動運動，機械下肢提供一定的阻力。機器的速度與患者的運動速度之間是恒定的比例關系，通過調(diào)節(jié)比例關系可以調(diào)整訓練強度，機器的運動滯后于患者的運動。這種運動方式主要是用于鞏固階段的患者，或健身人員。（2）被動方式機器人帶動患肢以設定的運動方式運動，不考慮患肢的阻力，通過重復訓練達到恢復和保持肢體運動功能的目的。這種運動方式用于康復階段的患者，運動速度較低。本設計的主要使用者是下肢有運動功能障礙的病人和老人，采用被動方式來恢復或保持他們下肢的運動功能，也可以采用主動方式來鞏固和加強他們下肢的運動功能。本機器人采用不同的控制方法可以實現(xiàn)主動或被動方式，康復訓練時選擇其中一種即可。4.3　氣動自動控制方框圖哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文40供氣系統(tǒng)直接為氣缸供氣，但是，要完全實現(xiàn)自動控制，還需要由單片機或計算機執(zhí)行的控制系統(tǒng)。如圖4.2中，是下肢自動控制系統(tǒng)的功能方框圖，反饋信息為髖關節(jié)、膝關節(jié)和踝關節(jié)的實際旋轉角度 ，經(jīng)與給定的角?度 相比較形成一個閉環(huán)系統(tǒng)。當實際旋轉關節(jié) 超出給定角度值 時，形1? 1成差值 ， 經(jīng)放大器放大后，作用到流量比例閥上，控制流量大小，調(diào)u?節(jié)氣氣缸的運動速度，改變旋轉關節(jié)的角度，使其在按給定的運動方式運動。如圖4.3中，是減重部分的控制自動控制系統(tǒng)的功能方框圖，反饋信息為作用在氣缸上的拉力f，經(jīng)與給定的力F相比較形成一個閉環(huán)系統(tǒng)。當拉力超出給定值F時，形成差值 經(jīng)放大器放大后，作用到壓力比例閥上，控制壓力u?大小，調(diào)節(jié)氣缸的壓力，使氣缸提供恒定壓力。圖 4.2　下肢氣動自動控制方框圖圖 4.3　減重系統(tǒng)控制方框圖哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文414.4　本章小結本章主要介紹了供氣控制系統(tǒng)的設計，氣動元件的選取過程。介紹了機器人的訓練方式和控制的功能，為進一步完成自動控制系統(tǒng)的設計提供了理論基礎。哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文42結　　論本論文是在綜述了目前國內(nèi)外康復機器人的研究和應用的基礎上，結合發(fā)展方向，針對康復訓練的功能，具體闡述了一個基于步態(tài)控制的下肢康復機器人的設計。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(jié)、膝關節(jié)和踝關節(jié)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，它由減重機構、姿態(tài)控制機構、運動平板等組成。本文主要完成了以下工作：1.根據(jù)康復訓練機器人的應用對象、使用環(huán)境及技術指標的要求，結合人體工程學的基本知識和康復醫(yī)學的基本理論，確定系統(tǒng)的總體方案，采用三個自由度分別實現(xiàn)單邊髖關節(jié)、膝關節(jié)及踝關節(jié)的運動訓練，總共采用7個自由度。2.結合康復器械的運動特點，比較多種驅動器的利弊，選用氣缸作為康復訓練機器人的驅動器。選擇氣缸的型號，進行所需行程的計算。3.進行了結構設計計算。根據(jù)機械設計的基本理論和方法，選擇能完成機械運動的合適的零件，設計計算零件的型號和尺寸。考慮制作工藝性和裝配工藝性，設計連接件的結構，如關節(jié)，用于關節(jié)間連接的支架，下肢的伸縮桿結構等零件。4.針對機器人的驅動方式和應用場合，對供氣系統(tǒng)進行了設計，并初步分析了控制系統(tǒng)的基本組成和機器人的運行方式。設計出的康復訓練機器人能夠完成一定的康復訓練工作，但要完全實現(xiàn)自動化控制，提高機器人的柔順性，還需要開展如下的研究工作：(1)進一步研究氣缸及其驅動關節(jié)的動態(tài)模型；(2)研究氣缸閉環(huán)控制系統(tǒng)的特點，進一步提高系統(tǒng)的柔順性。(3)進一步優(yōu)化關節(jié)結構和桿件結構。哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文43參考文獻[1]　張付祥，付宜利，王樹國．康復機器人研究現(xiàn)狀[J]．河北工業(yè)科技，2005，22（2）：100-105．[2]　杜志江，孫傳杰，陳艷寧．康復機器人研究現(xiàn)狀[J]．中國康復醫(yī)學雜志，2003，18（5）：293-294．[3]　Hogan 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