畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-減重臺架式下肢康復(fù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析

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1、 單位代碼 10006 學(xué) 號 11071077 分類號 TH122 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 減重臺架式下肢康復(fù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析 院（系）名稱 機(jī)械工程及自動化學(xué)院 專業(yè)名稱 機(jī)械工程及自動化 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師 張建斌 2017年6月 北京航空航天大學(xué) 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書 Ⅰ、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目： 減重臺架式下肢康復(fù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析

2、 Ⅱ、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）使用的原始資料（數(shù)據(jù)）及設(shè)計(jì)技術(shù)要求： 1、髖關(guān)節(jié)屈伸范圍：-20°~30° 2、膝關(guān)節(jié)屈伸范圍：-45°~0°

3、 3、踝關(guān)節(jié)屈伸范圍：-30°~35° 4、行進(jìn)步速：110步/min Ⅲ、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）工作內(nèi)容： 減

4、重臺架式下肢康復(fù)機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)簡單，穿戴方便，康復(fù)效果穩(wěn)定等特點(diǎn)。本課題擬提出一種新的下肢外骨骼機(jī)械結(jié)構(gòu)構(gòu)型，設(shè)計(jì)一種新型的彈性驅(qū)動器。重點(diǎn)考慮下肢主要關(guān)節(jié)的運(yùn)動性能同時，使其具有穿戴性好，質(zhì)輕，結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn) 畢設(shè)的主要工作內(nèi)容為：在了解下肢康復(fù)機(jī)器人的研究背景研究現(xiàn)狀等，完成減重臺架式下肢康復(fù)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，繪制一些相關(guān)零件的零件圖。對系統(tǒng)進(jìn)行簡單的動

5、力學(xué)分析后，使用ADAMS進(jìn)行基本的仿真。 Ⅳ、主要參考資料： 饒玲軍.下肢外骨骼行走康復(fù)機(jī)器人研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2012. 郭衛(wèi)東.虛擬樣機(jī)技術(shù)與ADAMS應(yīng)用實(shí)例教程[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社

6、 陳景藻.康復(fù)醫(yī)學(xué)[M]北京：高等教育出版杜,2001 王勇利.基于電機(jī)控制的低阻抗彈性驅(qū)動器設(shè)計(jì)[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2010. 機(jī)械工程及自動化 學(xué)院（系） 機(jī)械工程及自動化 專業(yè)類 130712 班 學(xué)生 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）時間： 年 月 日至 年 月 日 答辯時間： 年 月 日 成 績： 指導(dǎo)教師：

7、 兼職教師或答疑教師（并指出所負(fù)責(zé)部分）： 系（教研室） 主任（簽字）： 本人聲明 我聲明，本論文及其研究工作是由本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下獨(dú)立完成的，在完成論文時所利用的一切資料均已在參考文獻(xiàn)中列出。 作者： 簽字： 時間：2017年 6 月 第 Ⅰ 頁 減重臺架式下肢康復(fù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析 學(xué)

8、生姓名： 指導(dǎo)教師：張建斌 摘要 減重臺架式下肢康復(fù)機(jī)器人是下肢康復(fù)外骨骼中康復(fù)效果較為穩(wěn)定、穿戴性好、可擁有多套步態(tài)控制方案的典型結(jié)構(gòu)。現(xiàn)有的減重臺架式下肢康復(fù)機(jī)器人設(shè)計(jì)中，由于系統(tǒng)均采用了剛性原件，導(dǎo)致了在步行訓(xùn)練中由于剛性沖擊帶來的震動容易造成患者的二次損傷，此外，在尺寸兼容性方面由于調(diào)整范圍較小，使用舒適度較差。 針對目前的康復(fù)需要，本文設(shè)計(jì)了一款減重臺架式下肢康復(fù)機(jī)器人，分別對髖部模塊，膝關(guān)節(jié)模塊，踝部及足部模塊，腰部固定模塊進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析。在此基礎(chǔ)上還著重設(shè)計(jì)了一套運(yùn)用在膝關(guān)節(jié)處的直流伺服電機(jī)驅(qū)動直線彈性驅(qū)動器。并對驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，對相關(guān)的一些傳動

9、零件做了計(jì)算分析。之后運(yùn)用理論力學(xué)基本知識對下肢康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行了相關(guān)動力學(xué)模型的推導(dǎo)，得出了關(guān)鍵動力學(xué)方程，為以后的控制初步建立了理論基礎(chǔ)。并對于建立好的三維模型導(dǎo)入仿真軟件進(jìn)行了簡單的動力學(xué)仿真。這套減重臺架式下肢康復(fù)機(jī)器人相比之前的成果，添加了膝關(guān)節(jié)彈性驅(qū)動結(jié)構(gòu)，改善了系統(tǒng)剛度，提高了穿戴舒適性。 關(guān)鍵詞：減重臺架式，彈性驅(qū)動器，動力學(xué)方程 第 Ⅲ 頁 The structure design and analysis of weight rack lower limb rehabilitation robot Author:

10、 Tutor:Zhang Jian-Bing Abstract The weight rack lower limb rehabilitation robot is relatively stable, and wearable in lower limb rehabilitation external skeleton. It’s the typical types of multiple sets of gait control schemes. In this dissertation

11、, we first understand the physical conditions and rehabilitation needs of patients with spinal cord injury and paralysis of the lower limbs. Then analyze the research situation of the external and bone of the lower limbs .In the design of weight rack lower limb rehabilitation robot, because the syst

12、em uses the rigidity of the original . Resulting in the shock caused by rigid shock in walking training which can easily cause the patient's two injury. In the dimension compatibility, because of the smaller design scope, users’comfort is poor. Aiming at the need of rehabilitation, this dissertatio

13、n introduces the design of a weight rack lower limb rehabilitation robot. Respectively on the hip joint module, knee module, ankle and foot module, lumbar fixation module did the structural design and analysis. Based on this, a set of DC servo motor driving linear elastic actuator is designed and ap

14、plied in the knee joint. The structure of the driver is analyzed, and some of the relevant parts are calculated and analyzed. Then, the basic knowledge of theoretical mechanics is used to deduce the relative dynamics model of the rehabilitation robot system, the key kinetic equation is obtained. Als

15、o the theoretical basis for the initial control was established. For the establishment of good three-dimensional model import simulation software for a simple dynamic simulation. This results of weight rack lower limb rehabilitation robot compared to the previous, the elastic drive structure of the

16、knee is added, the stiffness of the system is improved, and the comfort of the wear is improved. The improvement of the future mechanical structure is made. Key words: Weight rack，Elastic actuator，Kinetic equation 第 Ⅴ 頁 目錄 第一章 緒論 1 1.1課題背景及意義 1 1.1.1課題背景 1 1.1.2課題意義 2 1.2 國

17、內(nèi)外基本研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 3 1.2.1下肢外骨骼研究起步 3 1.2.2康復(fù)外骨骼的研究現(xiàn)狀 3 1.2.2.1臥式康復(fù)外骨骼 4 1.2.2.2減重臺架式下肢康復(fù)外骨骼 5 1.2.2.3獨(dú)立行走式 9 1.3課題研究方法 11 1.4論文構(gòu)成及研究內(nèi)容 11 1.4.1研究內(nèi)容 11 1.4.2論文構(gòu)成 12 第二章 人體下肢關(guān)節(jié)運(yùn)動機(jī)理及步態(tài)分析 12 2.1下肢關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)及運(yùn)動機(jī)理 12 2.2下肢步行步態(tài)原理分析 15 2.3本章小結(jié) 17 第三章 下肢康復(fù)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 18 3.1自由度分配以及尺寸設(shè)計(jì) 18 3.2總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 19 3.

18、3踝部及足掌模塊設(shè)計(jì) 20 3.4髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 22 3.5膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 24 3.6直線彈性驅(qū)動器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 26 3.6.1傳動機(jī)構(gòu)的選擇 26 3.6.2彈性驅(qū)動器總體結(jié)構(gòu)概述 28 3.6.3機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 29 3.6.3.1定導(dǎo)軌部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 29 3.6.3.2 動導(dǎo)軌部分設(shè)計(jì) 31 3.6.3.3輔助元件的選擇 33 3.6.3.4小結(jié) 34 3.7腰部固定支撐模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 34 3.8電機(jī)選取 34 第四章 動力學(xué)方程的建立和ADAMS仿真 36 4.1動力學(xué)方程的建立及推導(dǎo) 36 4.2 ADAMS軟件簡介 39 4.3模型運(yùn)動仿真過程 3

19、9 結(jié)論 41 致謝 43 參考文獻(xiàn) 44 第 44 頁 第一章 緒論 1.1課題背景及意義 1.1.1課題背景 近些年來，脊髓損傷（SCI）這種中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病的發(fā)病率有逐年升高的態(tài)勢。脊髓損傷是因沖擊力施加于脊椎而導(dǎo)致的脊髓破壞。脊髓是人體絕大多數(shù)神經(jīng)信號的傳輸渠道。因而脊髓受損主要癥狀在于神經(jīng)傳輸通道中斷所造成的知覺喪失。脊髓損傷造成的偏癱或截癱極大地影響了患者參加社會勞動能力和生活水平。一些發(fā)達(dá)國家已經(jīng)在這個領(lǐng)域進(jìn)行了積極的研究，研究成果也使得一些患者能夠重新走上社會，而且也在一定程度上增長了他們的壽命，醫(yī)學(xué)水平的發(fā)展讓他們不僅能從創(chuàng)

20、傷中存活下來，康復(fù)治療的發(fā)展還能讓他們逐漸回歸正常生活。在我國脊髓損傷這些年也得到了更多的關(guān)注，包括汶川地震，甘肅臨洮地震等自然災(zāi)害，以及一些社會治安問題中造成的脊髓損傷。都給這些截癱或者偏癱患者生活上帶來了巨大的負(fù)擔(dān)和心理上沉重的壓力。因而尋求有效的康復(fù)途徑，使患者傷情能夠一定程度上得到緩解甚至治愈，不但可以提高患者自身生活能力，也能為社會減少負(fù)擔(dān)。 對于這些偏癱或截癱患者來說，能夠脫離輪椅的束縛重獲一定活動能力是他們最大的愿望，針對他們的站立式康復(fù)訓(xùn)練能夠促進(jìn)他們下肢的血液循環(huán)系統(tǒng)和神經(jīng)系統(tǒng)，阻止長期坐姿導(dǎo)致的肌肉萎縮和痔瘡，改善血液循環(huán)。因此為下肢偏癱或截癱患者設(shè)計(jì)一款能夠有良好康復(fù)效

21、果的下肢康復(fù)外骨骼是有其必要性的。 外骨骼機(jī)器人是指一種帶有一定仿生功能外部機(jī)械裝置的可穿戴式機(jī)器人。近些年機(jī)器人技術(shù)水平飛速發(fā)展，外骨骼機(jī)器人也從起初僅運(yùn)用于軍事方面逐漸發(fā)展進(jìn)步，并康復(fù)醫(yī)學(xué)結(jié)合起來，形成了利用下肢外骨骼康復(fù)平臺，對有著完整下肢但失去全部或部分下肢運(yùn)動能力的病人進(jìn)行一系列康復(fù)訓(xùn)練，這是近些年來高速發(fā)展的新興技術(shù)。這種手段可以有效緩解傳統(tǒng)康復(fù)訓(xùn)練中以下三個明顯的缺陷：1、對康復(fù)人員技術(shù)水平要求高，國內(nèi)缺乏合格的專業(yè)康復(fù)師。2、康復(fù)師體力負(fù)荷大，難以維持長時間穩(wěn)定的運(yùn)動訓(xùn)練。3、康復(fù)師的工作經(jīng)驗(yàn)以及工作態(tài)度對康復(fù)效果影響較大，康復(fù)質(zhì)量難以把握。讓康復(fù)醫(yī)師能夠?qū)⒏嗟刈⒁饬φ{(diào)整到

22、病人病情上，保證整個康復(fù)治療效果的穩(wěn)定。 1.1.2課題意義 失去了行動能力和基本生活自理能力的截癱或偏癱患者，長期坐在輪椅或臥在病床上，隨之產(chǎn)生的一些并發(fā)癥如：深部靜脈血栓及肺栓塞，尿路感染引發(fā)的尿毒癥，肺部感染，褥瘡的嚴(yán)重并發(fā)癥敗血癥，心血管的并發(fā)癥等脊髓損傷發(fā)病后期對患者生命最大的威脅，有效的站立式康復(fù)訓(xùn)練能夠在一定程度上緩解這些問題的產(chǎn)生。 脊髓損傷導(dǎo)致的截癱及其并發(fā)癥主要癥狀有： （1） 關(guān)節(jié)僵硬和畸形，肌肉萎縮和痙攣。 （2） 呼吸道感染：臥床肺活量小，異物排出困難而致使呼吸道感染。 （3） 尿路感染：尿潴留長期滯留，發(fā)生的尿結(jié)石和泌尿系統(tǒng)感染。 （4） 褥瘡

23、：截癱患者皮膚無知覺且血液循環(huán)不暢產(chǎn)生的褥瘡，會引發(fā)的炎性滲出導(dǎo)致血液感染，引發(fā)敗血癥。這也是脊髓損傷并發(fā)癥致使患者死亡的主要因素。 （5） 心血管并發(fā)癥 由于脊髓損傷更常見于一些青壯年勞動力的身上，影響了患者的生活自理能力，也給他們心靈上帶來了極大地創(chuàng)傷，同時給他們的家庭給社會都帶來了沉重的負(fù)擔(dān)。將外骨骼機(jī)器人技術(shù)運(yùn)用于康復(fù)醫(yī)療技術(shù)中，通過精細(xì)的步態(tài)控制與合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以給患者帶來更好的康復(fù)體驗(yàn)，為患者早日脫離輪椅和病床作出貢獻(xiàn)。使用下肢康復(fù)外骨骼有以下顯著的療效： （1） 對關(guān)節(jié)附近的肌肉做了拉伸和牽引，防止關(guān)節(jié)畸形，預(yù)防肌肉長期不運(yùn)動導(dǎo)致的肌肉萎縮和自發(fā)性骨折。 （2） 改善

24、了泌尿系統(tǒng)和循環(huán)系統(tǒng)的循環(huán)功能，促進(jìn)了消化系統(tǒng)以及腎，膀胱等正常的排泄，有效減少尿路感染的發(fā)生。 （3） 增強(qiáng)了靜脈血液回流能力，從而加強(qiáng)了心肺功能。 （4） 加大了活動量，防止了長期對皮膚的擠壓，降低了褥瘡的發(fā)病率，能夠有效減少并發(fā)癥的發(fā)生。 （5） 可以刺激患者下肢神經(jīng)系統(tǒng)，有益于神經(jīng)系統(tǒng)功能的復(fù)原。 1.2 國內(nèi)外基本研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 1.2.1下肢外骨骼研究起步 下肢外骨骼機(jī)器人開發(fā)起源于1980年左右，在90年代步入了高速發(fā)展階段。早期有關(guān)外骨骼機(jī)器人的研究主要目的是為了讓機(jī)械來加強(qiáng)人體的生理機(jī)能。如1965年GE公司研究的名為Hardman如圖1-1所示Har

25、dman使用電機(jī)驅(qū)動主從控制，可讓穿戴者輕而易舉的抬起120千克左右的物體。但由于其670KG的龐大體積重量，以及高達(dá)30多個自由度，采用了內(nèi)外雙層外骨架結(jié)構(gòu)的復(fù)雜機(jī)械結(jié)構(gòu)，使得Hardman操作復(fù)雜，穿戴困難，腿部不協(xié)調(diào)。整個機(jī)器人也不能實(shí)現(xiàn)無外物支撐的平衡自主運(yùn)動，于是GE公司最后放棄了研究。 圖1-1 Hardman外骨骼機(jī)器人 1.2.2康復(fù)外骨骼的研究現(xiàn)狀 下肢傳統(tǒng)康復(fù)方法是由康復(fù)師手把手地完成康復(fù)步驟，這樣不僅康復(fù)師本身的勞動強(qiáng)度大，而且難以提供持續(xù)穩(wěn)定的康復(fù)運(yùn)動訓(xùn)練?？祻?fù)質(zhì)量也由于康復(fù)師本身的經(jīng)驗(yàn)水平狀態(tài)等的影響而參差不齊。進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著人們物質(zhì)水平的提高和科學(xué)

26、技術(shù)的發(fā)展，對于康復(fù)醫(yī)療器械提出了更高的要求。下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人的研究正好迎合人們對于穩(wěn)定康復(fù)醫(yī)療器械的需求。而目前下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人從其機(jī)械結(jié)構(gòu)形式可分為：臥式、減重臺架式、獨(dú)立行走式，下面將會從這三種類型對國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行概述。 1.2.2.1臥式康復(fù)外骨骼 圖1-2 Erigo的使用效果示意圖 臥式康復(fù)外骨骼可以解決患者在康復(fù)前期不適用站立式康復(fù)外骨骼的問題?，F(xiàn)階段常使用在臨床的下肢康復(fù)外骨骼醫(yī)療器械多數(shù)是站立式。雖然具有相對完備的康復(fù)功能，但在康復(fù)患者穿戴康復(fù)外骨骼時，對于脊髓損傷的截癱或者偏癱患者，一般需要3-4位康復(fù)醫(yī)師才能完成穿戴，并且過程比較繁瑣和困難。由瑞士的

27、Hocoma公司設(shè)計(jì)制作的Erigo脊髓損傷前期康復(fù)系統(tǒng)（如圖1-2）。這套康復(fù)系統(tǒng)使臥病在床的神經(jīng)系統(tǒng)病人處于床體在0-80°的可調(diào)傾斜狀態(tài)，并且可以讓患者下肢進(jìn)行較小幅度的擺動，因而可以 提高康復(fù)效果減少并發(fā)癥的產(chǎn)生。這套臥式康復(fù)外骨骼優(yōu)勢在于：基于患者康復(fù)前期行動極為不便的特點(diǎn)開發(fā)，通過可調(diào)傾斜度的與床體綁定的機(jī)械結(jié)構(gòu)與簡單的踏步系統(tǒng)共同作用，可以在康復(fù)早期起到不錯的輔助治療效果。但存在著明顯的缺點(diǎn)：下肢踏步系統(tǒng)關(guān)節(jié)設(shè)定的轉(zhuǎn)腳小，康復(fù)功能局限性很大。 在國內(nèi)，清華大學(xué)在康復(fù)系統(tǒng)方面研究時間比較長，研究內(nèi)容也更深入。得益于國家“863計(jì)劃”的大力支持，于21世紀(jì)初開始進(jìn)行機(jī)器人技術(shù)運(yùn)用

28、康復(fù)工程的研究，并且很快在四年后進(jìn)行了臨床運(yùn)用，獲得了大量康復(fù)數(shù)據(jù)。圖1-3所示是清華大學(xué)研發(fā)的臥式繩索牽引康復(fù)系統(tǒng)。其基本功能是由串聯(lián)的繩索牽引機(jī)構(gòu)來完成的，由患者上肢驅(qū)動通過柔性繩索牽引機(jī)構(gòu)來進(jìn)行下肢的運(yùn)動。但其存在著需要患者自己驅(qū)動且康復(fù)功能過于單一的缺陷。 圖1-3臥式繩索牽引機(jī)構(gòu) 1.2.2.2減重臺架式下肢康復(fù)外骨骼 由瑞士著名Hocoma公司和Blagrist康復(fù)機(jī)構(gòu)攜手開發(fā)Locomat下肢康復(fù)步行機(jī)器人是這種下肢康復(fù)外骨骼的代表作品，如圖1-4所示。Locomat研發(fā)成功于1999年并在兩年后成功推向一些康復(fù)中心，又在之后幾年完成了進(jìn)一步的完善。Locomat開創(chuàng)了

29、能讓下肢運(yùn)動功能受損的患者在自動醫(yī)用跑步機(jī)上完成減重式步行康復(fù)流程的先河。該康復(fù)系統(tǒng)通過一組懸掛裝置來進(jìn)行減重，平衡控制則通過一套具有旋轉(zhuǎn)裝置的矩形機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。同時為了適應(yīng)各種不同體型患者的需求，該系統(tǒng)中各種的桿件都設(shè)計(jì)成長度可調(diào)整式。為了患者舒適度著想，固定患者位置的部分都運(yùn)用了柔軟的材料護(hù)墊。Locomat采用在機(jī)器人腿部固連的兩臺伺服電機(jī)作為驅(qū)動裝置。兩部電機(jī)安裝于腰部模塊和膝關(guān)節(jié)上方，驅(qū)動對應(yīng)絲杠螺母的傳動機(jī)構(gòu)，使機(jī)器人腿部桿件來回?cái)[動來完成步態(tài)的模擬。同時，Locomat的關(guān)節(jié)處都安置了相應(yīng)傳感器，采集關(guān)節(jié)處運(yùn)動的速度，角度，力等相關(guān)信息，并將之反饋給相連的控制主機(jī)。Locomat突出

30、的優(yōu)點(diǎn)在于：①減重臺架式的設(shè)計(jì)可以對較長康復(fù)流程的患者不同時期進(jìn)行不同程度的減重練習(xí)，設(shè)備使用周期較長。②設(shè)置了能夠采集患者相關(guān)運(yùn)動數(shù)據(jù)的傳感器，有益于對病情的監(jiān)測和評價，從而讓康復(fù)醫(yī)師進(jìn)行相應(yīng)康復(fù)計(jì)劃的變動。③康復(fù)過程具有良好的重復(fù)性，提供了穩(wěn)定的康復(fù)效果。④可通過相應(yīng)界面方案，提高患者參與康復(fù)訓(xùn)練的主觀能動性。多種步態(tài)模式的控制系統(tǒng)可調(diào)整外骨骼的輔助力大小，通過與動力裝置固連的力傳感器可以測試出患者自身能提供運(yùn)動力的大小，通過這些活動力的數(shù)據(jù)采集對外骨骼主要驅(qū)動力進(jìn)行從0到一定數(shù)值的范圍內(nèi)調(diào)整。通過這種反饋調(diào)節(jié)來完成患者在不同身體狀況下多種康復(fù)方案。⑤Lokomat多處設(shè)置了尺寸調(diào)節(jié)裝置，

31、可為不同身體狀況的患者提供尺寸的定制方案，以此來完成機(jī)器人各桿件長度的調(diào)整。Locomat優(yōu)勢在于：提供多部位支撐，后驅(qū)動。缺點(diǎn)在于步態(tài)控制模式設(shè)計(jì)方案很少，穿戴過程比較復(fù)雜。 （a）穿戴訓(xùn)練效果圖 （b）關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖 圖1-4 Locomat訓(xùn)練效果及關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖 由陳篤生醫(yī)院和新家坡南洋理工大學(xué)合力開發(fā)了一套含有骨盆輔助控制功能的康復(fù)外骨骼。它是由電機(jī)驅(qū)動，在滿足下肢運(yùn)動的自由度前提上可以對踝、膝、髖三個關(guān)節(jié)進(jìn)行運(yùn)動控制，但由于整個系統(tǒng)都是剛性的、全約束的機(jī)構(gòu)，對患者有較大的強(qiáng)迫性，會使患者感到很不適，加入了一些被動的柔性機(jī)構(gòu)改善了以前的弊端。骨盆部位由一組多邊形桿件系

32、統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)控制。原理圖如1-5所示。每一邊的平行四邊形支撐模塊都由2個電機(jī)分別驅(qū)動，各控制平行四邊形支架的相鄰兩桿從而能夠讓輸出端通過對夾角的調(diào)整到達(dá)所需位置。 美國加州大學(xué)采用并聯(lián)汽缸給外骨骼提供驅(qū)動力，研發(fā)了一種控制人體骨盆運(yùn)動的輔助行走機(jī)器人。機(jī)器人共有3個方向的平移和2個方向的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，即包含5個自由度。在控制腰部的運(yùn)動方面，使用氣缸調(diào)整骨盆框架的兩輸出端點(diǎn)位置即（PAM）。同時在減重設(shè)計(jì)方面采用了懸掛式支撐機(jī)構(gòu)（BWS）固連在醫(yī)用跑步臺的伸出桿處。圖1-6即測試人員在進(jìn)行系統(tǒng)數(shù)據(jù)的分析實(shí)驗(yàn)過程。 位于芝加哥的康復(fù)系統(tǒng)開發(fā)中心與當(dāng)?shù)乜祻?fù)器械生產(chǎn)企業(yè)合力研發(fā)了一種通過對患者腰部

33、運(yùn)動的控制來完成下肢康復(fù)訓(xùn)練的機(jī)器人KinAssist如圖1-7所示。通過對患者腰部運(yùn)動控制來實(shí)現(xiàn)人類正常步態(tài)的運(yùn)動，同時也具有相應(yīng)的平衡系統(tǒng)。KinAssist主要功能幫助下肢運(yùn)動功能受損的患者提供步行康復(fù)，腰部運(yùn)動控制行走機(jī)構(gòu)模塊位于受訓(xùn)者后方，為患者提供穩(wěn)定的固定同時也能提供充足的運(yùn)動行程，優(yōu)化了康復(fù)體驗(yàn)。該機(jī)器人通過固定裝置，連接裝置，支撐系統(tǒng)三個部分實(shí)現(xiàn)對腰部運(yùn)動的控制。位于支架模塊前的驅(qū)動系統(tǒng)可控制訓(xùn)練者背部xyz方向的平移和三方向的繞軸轉(zhuǎn)動，位于后段的支撐系統(tǒng)能夠完成對患者腰部的拉高，軀干的轉(zhuǎn)動和傾斜，以及來回的擺動。在保證了比較好的安全性的同時，為患者提供了多種訓(xùn)練模式，兼具步

34、行，平衡，擺動等功能。KinAssist最顯著的特色是同時能夠進(jìn)行主動和被動雙重控制功能，規(guī)避了普通剛性康復(fù)系統(tǒng)給患者的強(qiáng)迫性約束，具有更好的適應(yīng)性。但是這套系統(tǒng)不適用于不具備一定行走能力的患者，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜笨重，價格高昂，不適合普通家庭使用。 由美國研制的Motorica在KinAssist的基礎(chǔ)上做了一些改進(jìn)。為了減低整套機(jī)器人的穿戴難度，將驅(qū)動裝置由原來的后驅(qū)改為了前驅(qū)。其具備了KinAssist的下肢被動行走運(yùn)動的功能外，有了穿戴簡單，有很好的可調(diào)性的優(yōu)勢。但依然有步態(tài)單一，功能局限性大的劣勢。 源自德國的下肢康復(fù)機(jī)器人MGT也是減重臺架式產(chǎn)品之一，它采用了兩套曲柄搖桿機(jī)構(gòu)通過具

35、有反饋控制的計(jì)算機(jī)控制。但其自由度少，功能不夠完備，不能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動規(guī)律。 圖1-10 ALEX康復(fù)數(shù)據(jù)收集 美國的特拉華大學(xué)研發(fā)了一套主動驅(qū)動的下肢康復(fù)機(jī)器人ALEX，可以為有行動功能損傷的患者提供比較穩(wěn)定的康復(fù)流程。如圖1-10，開發(fā)者提出了力場控制，為這套下肢康復(fù)外骨骼加上了重力補(bǔ)償，使得附加力恰好滿足患者的康復(fù)需要，不會給患者造成二次損傷。驅(qū)動裝置采用了直線推桿。在系統(tǒng)控制方面，研發(fā)組先對正常成人在不同的步行速度下運(yùn)動中的受力，各關(guān)節(jié)運(yùn)動位置以及速度峰值，單步的初始點(diǎn)等進(jìn)行記錄，找出關(guān)鍵特征點(diǎn)，做參數(shù)化后的回歸分析。以大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行不同步態(tài)方案的設(shè)計(jì)。同時前置的顯示屏可以為患

36、者提供實(shí)時的步態(tài)可視化數(shù)據(jù)，幫助記錄患者的康復(fù)運(yùn)動情況。 1.2.2.3獨(dú)立行走式 圖1-11 IHMC穿戴效果圖 位于美國佛羅里達(dá)的人與機(jī)器認(rèn)知研究院開發(fā)了一種名叫IHMC的獨(dú)立行走外骨骼如圖1-11所示。目的在于輔助因脊髓損傷導(dǎo)致的下肢行動困難實(shí)現(xiàn)自主步行。該外骨骼每條腿都有五個自由度，包括三個安置了驅(qū)動器的主動自由度，含髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)的曲伸運(yùn)動，髖關(guān)節(jié)的內(nèi)旋和外展運(yùn)動。以及兩個未安置驅(qū)動器的被動自由度，包括踝關(guān)節(jié)的跖屈背屈以及髖關(guān)節(jié)的內(nèi)外軸旋。人在運(yùn)動過程中，關(guān)節(jié)不是固定的繞軸旋轉(zhuǎn)，而是軸心做平面運(yùn)動的同時，腿繞軸轉(zhuǎn)動。這里設(shè)計(jì)的時候簡化為固定的繞關(guān)節(jié)中心軸運(yùn)動，并在關(guān)節(jié)處裝了

37、旋轉(zhuǎn)彈性驅(qū)動器來驅(qū)動。這樣可以很好的解決剛性系統(tǒng)帶來的強(qiáng)迫性，在與地面接觸時很好的吸收了著地時的沖擊力，擁有很好的柔順性。但由于下肢行動障礙的患者不能通過髖關(guān)節(jié)的被動外展內(nèi)收來控制前進(jìn)方向，因此在IHMC的改良版去掉了這一自由度。在平衡方面，設(shè)計(jì)者加入了拐杖來實(shí)現(xiàn)行走過程中的平衡。 圖1-12 HAL結(jié)構(gòu)示意圖 日本筑波大學(xué)的Cybrnics 實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了行走式下肢康復(fù)機(jī)器人Hybrid Assistive Limb即HAL，比較有效解決了在康復(fù)訓(xùn)練后期一出現(xiàn)步態(tài)不穩(wěn)的問題，如圖1-12。HAL與其他下肢外骨骼相比具有的獨(dú)特優(yōu)勢在于它具有兩套控制系統(tǒng)，生物意圖控制系統(tǒng)（CVC）和主動控

38、制系統(tǒng)（CAC），通過與穿戴者皮膚連接的傳感器收集肌肉電信號，由意圖控制系統(tǒng)來控制驅(qū)動裝置。而CAC則通過在控制計(jì)算機(jī)上設(shè)定好的步態(tài)控制模式，來完成固定的助力動作，它可以保存多種正常人的運(yùn)動模型。HAL詳細(xì)工作原理為：當(dāng)穿戴者嘗試行走時，大腦會向肌肉發(fā)出電信號，當(dāng)信號到達(dá)指定運(yùn)動肌肉后，在肌表會產(chǎn)生生物電。此時由連在患者肌肉處的肌電傳感器來收集肌電信號并傳輸給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)計(jì)算分析信號后，分析需要驅(qū)動力的大小，并執(zhí)行相應(yīng)動作。HAL使用了多種傳感器收集數(shù)據(jù)，肌電傳感器，角度傳感器，觸碰力傳感器等來獲得穿戴HAL患者的使用情況信息。HAL可以賦予步態(tài)紊亂的穿戴者以5 Km/h速度步行能力，和90

39、-190Kg的負(fù)重能力。但由于其所有的系統(tǒng)都是由后置的背包中的動力供應(yīng)裝置提供，所以不支持較長時間的運(yùn)動。 1.3課題研究方法 在課題研究上我主要建立在對有關(guān)脊髓損傷以及下肢癱瘓的康復(fù)醫(yī)學(xué)理論的了解，同時考慮醫(yī)學(xué)康復(fù)機(jī)器人的要求制定總體方案。主要進(jìn)行機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面并對運(yùn)動控制進(jìn)行相應(yīng)理論分析。最后選定合理的減重臺架式下肢康復(fù)機(jī)器人方案。 1.4論文構(gòu)成及研究內(nèi)容 1.4.1研究內(nèi)容 （1） 人體下肢關(guān)節(jié)運(yùn)動理論基礎(chǔ)。包括各關(guān)節(jié)的運(yùn)動原理以及標(biāo)準(zhǔn)成人下肢的運(yùn)動數(shù)據(jù)和肢體尺寸。 （2） 機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析。包括對應(yīng)關(guān)節(jié)處的驅(qū)動機(jī)構(gòu)以及連接機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)使其能較好的復(fù)合康復(fù)機(jī)

40、器人設(shè)計(jì)的要求。同時保證多方面的尺寸都是可調(diào)的，用以滿足不同體型、身高穿戴者的需求。傳感器的布置也在方案中予以考慮。 （3） 膝關(guān)節(jié)驅(qū)動機(jī)構(gòu)中添加了一款彈性驅(qū)動器，來解決剛性系統(tǒng)的強(qiáng)迫性問題，同時也能緩解足部著地時的沖擊力。 （4） 對于機(jī)器人做相關(guān)運(yùn)動理論分析，為以后給機(jī)器人設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)打下基礎(chǔ)。 1.4.2論文構(gòu)成 為了更清楚的展示整篇文章的研究內(nèi)容，下面對論文的構(gòu)成進(jìn)行簡單介紹： 第2章 討論正常人下肢幾大重要關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)以及運(yùn)動機(jī)理以及行走時下肢運(yùn)動步態(tài)原理。 第3章 結(jié)合前章中所提到的關(guān)節(jié)運(yùn)動原理進(jìn)行對應(yīng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，同時設(shè)計(jì)一種新型的直線彈性驅(qū)動器。 第4章 進(jìn)行相關(guān)運(yùn)動原

41、理分析為將來的機(jī)器人運(yùn)動控制做好鋪墊，進(jìn)行ADAMS運(yùn)動仿真。 第2章 人體下肢關(guān)節(jié)運(yùn)動機(jī)理及步態(tài)分析 本章主要對人體關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)以及成人正常步態(tài)進(jìn)行相關(guān)的仿生學(xué)原理分析。其中關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)及運(yùn)動原理，為之后的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了生理學(xué)基礎(chǔ)。通過對關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的分析，確定之后機(jī)構(gòu)自由度的選取和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中機(jī)器人的尺寸及運(yùn)動范圍等的參考數(shù)據(jù)。2.3中的步態(tài)分析則是為了能夠?yàn)橹蟮倪\(yùn)動仿真中更好的模擬步態(tài)提供理論基礎(chǔ)。 2.1下肢關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)及運(yùn)動機(jī)理 人體下肢是通過軟組織，筋膜，關(guān)節(jié)等將骨骼連在一起的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。有三大主要關(guān)節(jié)構(gòu)成即髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)。 如圖2-1所示，臼窩附近有一系列的

42、纖維組織和軟骨包覆。由髖臼橫韌帶，股骨頭韌帶，長而堅(jiān)韌髂股韌帶等將整體進(jìn)行固定。髖關(guān)節(jié)可以繞多軸進(jìn)行運(yùn)動包括屈伸運(yùn)動，內(nèi)外收展，內(nèi)外環(huán)旋運(yùn)動。運(yùn)動時主要是大轉(zhuǎn)子的活動，其余的結(jié)構(gòu)輔助和保護(hù)，同時骨盆也有一定的運(yùn)動。 圖2-1髖關(guān)節(jié)解剖結(jié)構(gòu) 膝關(guān)節(jié)是人體結(jié)構(gòu)復(fù)雜度最高，體積最大的關(guān)節(jié)，一直是下肢運(yùn)動原理和結(jié)構(gòu)研究的關(guān)鍵之處。如圖2-2所示，簡單分為股骨下部，脛骨上部以及髕骨三部分組成，同時也有大量的軟組織如一系列的韌帶和膝關(guān)節(jié)肌群，輔助結(jié)構(gòu)半月板等。膝關(guān)節(jié)位于人體最大兩杠桿壁之間，在人下肢運(yùn)動中起著主要的承力作用，因此有大量的緩沖韌帶。在膝關(guān)節(jié)處主體運(yùn)動是曲伸運(yùn)動，但膝關(guān)節(jié)并不是簡單的繞

43、軸旋轉(zhuǎn)。在半月板的輔助下膝關(guān)節(jié)屈曲運(yùn)動時半月板進(jìn)行后移在前伸時半月板前移，因此正常人小腿運(yùn)動是一個平面運(yùn)動。髕骨由于其在運(yùn)動中上下移動主要起維持膝關(guān)節(jié)運(yùn)動穩(wěn)定的作用，對實(shí)際運(yùn)動軌跡沒有影響，因此不深入討論。 圖2-2 膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu) 足部關(guān)節(jié)部分我們主要研究踝關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動。如圖2-3主要有距骨滑車，脛骨腓骨下端面組成，同樣也是由多條韌帶固定連接。踝關(guān)節(jié)主要運(yùn)動有沿冠狀軸的屈伸運(yùn)動以及小幅度的內(nèi)旋/外旋運(yùn)動。 圖2-3踝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu) 2.2下肢步行步態(tài)原理分析 圖2-4步態(tài)周期圖 步行是由人體下肢關(guān)節(jié)、肌肉、骨骼和輔助結(jié)構(gòu)共同作用從而實(shí)現(xiàn)人體的前后移動，轉(zhuǎn)向的系統(tǒng)性運(yùn)動。在有

44、關(guān)神經(jīng)系統(tǒng)的控制下，以肌肉的收縮產(chǎn)生的驅(qū)動力，使得在關(guān)節(jié)聯(lián)系下的骨骼進(jìn)行運(yùn)動。人體在平地上的步行是我們研究下肢康復(fù)機(jī)器人關(guān)鍵的研究對象。如圖2-4所示，正常人行走的步態(tài)是呈周期性變化，從參考腿的足跟部著地開始，直到參考足跟再一次著地為止。對于參考肢來說，在這個步態(tài)周期中，存在著顯著的兩種狀態(tài)：腳底與地面接觸，約占整個步態(tài)周期62%的支承相。足部離開地面，即從足尖騰空開始到足跟觸地的狀態(tài)，稱為擺動相，大概覆蓋步態(tài)周期38%左右。支撐相是兩只腳交替出現(xiàn)的，起了運(yùn)動中的承重作用。可細(xì)分為多個部分，其中有雙足同時著地的狀態(tài)稱為雙支撐相。出現(xiàn)于支承相的開始和結(jié)束階段，隨人運(yùn)動的速度成一定規(guī)律變化，速度越

45、快其持續(xù)時間越短暫，正常步行速度下占了步態(tài)周期21%~28%。擺動相主要負(fù)責(zé)步行過程中位移的完成，可分為前中后三個狀態(tài)。 人體步行通過肌肉收縮產(chǎn)生的生物力、軀體前傾的重力分力與運(yùn)動的慣性相互作用之下，通過一系列的旋轉(zhuǎn)滑移等運(yùn)動，以穩(wěn)定低耗能的方式產(chǎn)生向前的動力。以機(jī)構(gòu)學(xué)觀點(diǎn)，人體下肢的步行運(yùn)動是復(fù)雜的空間運(yùn)動。我們研究康復(fù)外骨骼時也需要盡可能的復(fù)現(xiàn)正常人的步態(tài)，從而為患者提供穩(wěn)定的康復(fù)治療效果。下面列出了人在一個步態(tài)周期中三大主要關(guān)節(jié)的力矩，轉(zhuǎn)角和功率曲線，為以后的設(shè)計(jì)提供參考，如圖2-5~7。 圖2-5關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角曲線 圖2-6關(guān)節(jié)力矩曲線 圖2-7關(guān)節(jié)功率曲線 2.3本章

46、小結(jié) 本章對人體下肢主要的關(guān)節(jié)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)和運(yùn)動原理的介紹，為之后的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能更符合康復(fù)機(jī)器人的要求奠定基礎(chǔ)。同時也涉及了人體下肢的運(yùn)動過程中的步態(tài)原理，對于最后的運(yùn)動學(xué)分析有參考作用，為以后的控制設(shè)計(jì)做了鋪墊。初步列舉了各關(guān)節(jié)的自由度，髖關(guān)節(jié)的屈伸、外展內(nèi)收、外旋內(nèi)旋，膝關(guān)節(jié)的屈伸，踝關(guān)節(jié)的背屈跖屈、內(nèi)旋外旋等。膝關(guān)節(jié)的半月板前后移動結(jié)構(gòu)也是我們膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面要注意的。步態(tài)方面髖關(guān)節(jié)初定范圍為-20°~20°，膝關(guān)節(jié)初定運(yùn)動范圍為-50°~0°。 第3章 下肢康復(fù)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 合理的機(jī)械結(jié)構(gòu)的支持是

47、整個下肢康復(fù)外骨骼系統(tǒng)良好運(yùn)行的基石。設(shè)計(jì)過程中在保證安全性原則的前提下，應(yīng)考慮到正常人步態(tài)的復(fù)現(xiàn)性和尺寸的兼容性。 本文中的減重臺架式康復(fù)機(jī)器人下肢共設(shè)置了4個自由度，包括主動關(guān)節(jié)髖關(guān)節(jié)的曲伸，膝關(guān)節(jié)的簡單平面運(yùn)動，以及被動關(guān)節(jié)踝關(guān)節(jié)的曲伸。整體機(jī)器人大概分為4個部分，包括腰部固定模塊，髖關(guān)節(jié)定軸轉(zhuǎn)動模塊，膝關(guān)節(jié)平面運(yùn)動模塊，踝關(guān)節(jié)及足部被動模塊。 3.1自由度分配以及尺寸設(shè)計(jì) 圖3-1人體下肢自由度分配 人體下肢步行運(yùn)動主要靠髖關(guān)節(jié)，膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)共同作用來完成。其中髖關(guān)節(jié)擁有3個自由度，但是在減重臺架式下肢康復(fù)機(jī)器人設(shè)計(jì)中，由于患者是在醫(yī)用跑步臺上進(jìn)行康復(fù)，并且患者是固定于減

48、重裝置上的，可基本忽略轉(zhuǎn)向和平衡問題。因此主要輔助轉(zhuǎn)向的自由度旋內(nèi)旋外和協(xié)助維持平衡打的外展內(nèi)收2個自由度在設(shè)計(jì)時就不予考慮了。在膝關(guān)節(jié)處為了細(xì)化設(shè)計(jì)我們考慮了半月板后移帶來的影響，將小腿的運(yùn)動看做一簡單平面運(yùn)動，設(shè)計(jì)考慮質(zhì)心后移和繞質(zhì)心轉(zhuǎn)動2個自由度。對于踝關(guān)節(jié)同髖關(guān)節(jié)，即只將其屈伸運(yùn)動考慮在機(jī)械設(shè)計(jì)中。 因此我們將總體自由度設(shè)計(jì)為4個自由度，簡化了整體機(jī)器人結(jié)構(gòu)的同時不影響使用功能。行走過程中由之前二章中的步態(tài)周期內(nèi)關(guān)節(jié)消耗功率，旋轉(zhuǎn)角度，力矩等數(shù)據(jù)可以得知在行走時髖關(guān)節(jié)膝關(guān)節(jié)的消耗是最大的。因此在康復(fù)外骨骼的設(shè)計(jì)中，需要在這兩處加入主動驅(qū)動機(jī)構(gòu)。 在實(shí)際運(yùn)用情況中，康復(fù)外骨骼需要適應(yīng)

49、各種體型患者的不同要求，尺寸不合適會給患者帶來很強(qiáng)的不適感，同時在步行康復(fù)中還可能造成二次損傷。因此在我的設(shè)計(jì)過程中在一些需要調(diào)整處如小腿大腿桿長，后置固定綁帶的位置等，都設(shè)計(jì)成可調(diào)式，從而能有良好的兼容性。參照中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)GB 10000—88中的數(shù)據(jù)如表3-1所示。 表3-1中國成年人人體尺寸表（單位：mm） 項(xiàng)目 18~60 歲男性 18~55 歲女性 身高 1543? 1583 ?1604 ?1678? 1754? 1775? 1814大腿長 413 428 436 465 496 505 523 小腿長 324 338 3

50、44 369 396 403 419 膝高 441 456 464 493 523 532 549 臀圍 780 805 820 875 948 990 1009 足長 233 230 234 247 260 264 272 足寬 86 88 90 96 102 103 107 1449 ?1484? 1503 ?1570? 1640? 1659? 1697 387 402 410 438 467 476 494 300 313 319

51、 344 370 376 390 410 424 431 458 485 493 507 795 824 840 900 975 1000 1044 208 213 217 229 241 244 251 78 81 83 88 93 95 98 從表中可得出，從1.6m到1.8m成人腿部尺寸浮動在6-8cm，髖部尺寸浮動在5-7cm。因此在設(shè)計(jì)過程中我們要在尺寸可調(diào)方面參照以上數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。 3.2總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 下肢康復(fù)外骨骼要求我們設(shè)計(jì)時材料的選取需要在保證一定機(jī)械強(qiáng)度的前提下

52、盡量輕量化。綜合以上要求我們選擇了在工業(yè)中廣泛使用的鋁合金，本機(jī)器人大部分部件均使用6016合金鋁。下表列出其對應(yīng)的力學(xué)性能。 表3-2 6016合金鋁力學(xué)性能 極限抗拉強(qiáng)度 屈服強(qiáng)度 延伸率 彈性系數(shù) 彎曲極限強(qiáng)度 泊松比 疲勞強(qiáng)度 124MPa 55.2MPa 25% 68.9GPa 228MPa 0.33 62.1MPa 在髖部模塊設(shè)計(jì)方面，傳動機(jī)構(gòu)考慮采用絲杠螺母驅(qū)動絲杠使絲桿做伸縮運(yùn)動，大腿桿與腰部支撐架鉸接來實(shí)現(xiàn)邁步時候髖關(guān)節(jié)完成的動作。膝關(guān)節(jié)處為了完成小腿所做的簡單平面運(yùn)動，考慮采用雙推桿套筒機(jī)構(gòu)，同時在其中加入設(shè)計(jì)的彈性驅(qū)動器，這樣就

53、能在患者步行訓(xùn)練時吸收來自運(yùn)動過程中的沖擊和振動。為整個系統(tǒng)加入了柔性環(huán)節(jié)，提高了穿戴舒適度。踝關(guān)節(jié)的屈伸運(yùn)動使用一對拉伸量不同的彈簧來實(shí)現(xiàn)，能夠幫助進(jìn)一步減少來自地面的沖擊力。在大腿，小腿和髖部都加入了可調(diào)尺寸的設(shè)計(jì)，通過調(diào)節(jié)這些尺寸，讓康復(fù)外骨骼的關(guān)節(jié)軸與患者的關(guān)節(jié)基本保持同軸的運(yùn)動，這樣的仿生設(shè)計(jì)可以大大提高穿戴的舒適性。在康復(fù)外骨骼與人體接觸的地方，都添加了柔軟材料作為保護(hù)。 3.3踝部及足掌模塊設(shè)計(jì) 圖3-2 踝部結(jié)構(gòu)簡圖 踝關(guān)節(jié)是人體下肢重要的承重關(guān)節(jié)，能夠承受約為體重4倍的重量，同時踝關(guān)節(jié)應(yīng)具有較好的靈活性。如果踝關(guān)節(jié)不能有足夠良好的靈活度，不僅會影響整個下肢步行運(yùn)動的

54、協(xié)調(diào)性，還會對其余關(guān)節(jié)如膝關(guān)節(jié)產(chǎn)生轉(zhuǎn)動力矩的影響。因此設(shè)計(jì)一個滿足步行時踝關(guān)節(jié)運(yùn)動的機(jī)構(gòu)是很重要的。 由于人在步行過程中，足部不會是全腳掌著地，離地時也并非整個足掌同時離地。因此在設(shè)計(jì)足掌時，不可將整個足掌設(shè)計(jì)為一整塊剛性材料，這樣會使機(jī)械動作僵硬，同時還會產(chǎn)生多余的振動和沖擊。我們在設(shè)計(jì)足部過程中應(yīng)考慮到加入柔性材料的同時，對足掌不同位置進(jìn)行分塊處理，這樣有助于最大程度模擬人走路時，足部的運(yùn)動方式。 由于在步行時踝關(guān)節(jié)不需要較大的驅(qū)動力，因此在本設(shè)計(jì)中將其設(shè)置為被動驅(qū)動模塊。如圖3-2所示，包括彈簧固定板1，拉力彈簧2，底部彈簧固定板5，足側(cè)綁帶連接板3，踝關(guān)節(jié)固定板4，鋁板6，足底橡膠

55、板7以及小腿8。它們的連接方式為：彈簧固定板1通過螺釘與小腿8相連固定拉力彈簧2的上端。與鋁板6通過螺釘相連的底部彈簧固定板5固定拉力彈簧下端。在整個足部設(shè)置了6塊足側(cè)綁帶連接板3，通過固體膠與足底橡膠板7粘接在一起。同時為了患者在行走訓(xùn)練中不會感到足底板過于僵硬，底部的鋁板不是完整的一塊，而是分為前中后三個部分，如圖3-3所示。這樣能夠保證在行走中足底能夠有一定的彎曲，可以給患者足趾一定的活動空間。同時在足底設(shè)置了力學(xué)傳感器來采集患者步行訓(xùn)練過程中足底受力情況，并反饋給計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析。在傳感器的布置上采用前掌3個受壓點(diǎn)，跖趾關(guān)節(jié)處設(shè)置了4個均勻分布傳感器，足跟則布置了5個傳感器，能夠較全面的

56、采集患者的受力數(shù)據(jù)。 “ 圖3-3足底結(jié)構(gòu)簡圖 由踝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角曲線可知，在踝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角的極限位置，其轉(zhuǎn)角約為即約為20°的轉(zhuǎn)角，故可由余弦定理計(jì)算出彈簧的形變量為，由力矩曲線可計(jì)算出，，因此由胡克定律可以得出彈簧的剛度系數(shù)為k=309.9N/m。 3.4髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 髖關(guān)節(jié)的是連接人體的上半身和下肢的樞紐關(guān)節(jié)，因此它也是在行走時人體承重最多，負(fù)荷最大的關(guān)節(jié)。髖關(guān)節(jié)不僅有其承力的作用，同時在下肢各種大范圍活動中也起著關(guān)鍵性作用。而且對于不同病情的患者來說，腰部直立程度也不一致，需要在與腰部固定裝置固連的時候具有可調(diào)性。由于在人步行時，髖關(guān)節(jié)主要運(yùn)動為屈伸，因此本文選取了髖關(guān)節(jié)屈伸的自由

57、度進(jìn)行設(shè)計(jì)。將髖關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)為繞固定軸的旋轉(zhuǎn)。對于需要進(jìn)行下肢康復(fù)的患者來說，對髖關(guān)節(jié)主要要求有：（1）具備良好的傳動穩(wěn)定性和精確度（2）具有一定的可調(diào)節(jié)性以適應(yīng)患者身體條件，這樣也能夠讓外骨骼關(guān)節(jié)與患者本身關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動軸保持較好的一致性，最大程度發(fā)揮康復(fù)機(jī)器人的效果。（3）簡潔性和舒適性，機(jī)構(gòu)在保證功能的前提下盡可能簡單易穿戴，同時能有較好的舒適性。 圖3-4 髖關(guān)節(jié)外觀 髖關(guān)節(jié)外觀三維建模如圖3-4所示大腿桿10通過定位軸9鉸接在一起，鉸鏈固定板11通過螺釘連接在大腿桿10上。絲杠13的伸出端與髖部前端鉸鏈12固連在一起并鉸接在鉸鏈固定板11上。電機(jī)14通過螺釘連接在髖部驅(qū)動機(jī)構(gòu)外殼15

58、上，髖部驅(qū)動機(jī)構(gòu)外殼15的尾端用螺釘將髖部尾端鉸鏈16上。在髖部支撐桿17上固連了2個限位固定架用以與腰部固定裝置相連，使患者腰部位置可調(diào)。同時在髖部支撐桿17前端，開了限位方形孔，用以限制大腿桿10的運(yùn)動角度，使其不至于因?yàn)轱w車而導(dǎo)致安全事故。 髖關(guān)節(jié)驅(qū)動機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)如圖3-5。在絲桿20的尾端用螺釘19將絲桿尾端周向定位滑塊18連接在絲桿20上。螺釘將電機(jī)連在齒輪箱21上。在電機(jī)輸出軸處通過鍵23將齒輪23進(jìn)行了周向固定，通過輸出軸軸肩和端蓋24將齒輪23進(jìn)行了軸向固定。與絲杠20有螺紋連接的齒輪25，通過套筒28與絲杠端蓋26軸向固定。位于絲桿尾部的周向定位滑塊能較好的提高絲桿傳動機(jī)構(gòu)

59、運(yùn)動的穩(wěn)定性。這套傳動機(jī)構(gòu)主要采用了類似絲杠螺母固定絲杠螺母驅(qū)動的傳動形式。傳動時電機(jī)作為動力裝置，通過齒輪傳動將動力傳到絲杠，絲杠螺母副將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為絲桿的直線運(yùn)動，并且絲杠的直線運(yùn)動通過鉸鏈連接將動力傳到大腿桿處，大腿桿做杠桿運(yùn)動完成髖關(guān)節(jié)的運(yùn)動要求。 3.5膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 膝關(guān)節(jié)的作用在于為小腿提供擺動的力偶，同時具有吸收著地沖擊力，減震，參與步行時下肢的運(yùn)動過程等作用。膝關(guān)節(jié)運(yùn)動主要是屈伸運(yùn)動，但其運(yùn)動過程中并不是簡單地繞軸轉(zhuǎn)動，在半月板的前后移動過程中，膝關(guān)節(jié)實(shí)際上是一個簡單的平面運(yùn)動。在膝關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)方面，應(yīng)主要有以下的要求：（1）膝關(guān)節(jié)在保證穩(wěn)定可靠的運(yùn)動前提下，應(yīng)有比較大的

60、運(yùn)動范圍。（2）在大腿小腿的固定方面應(yīng)具有尺寸的可調(diào)性，以根據(jù)不同患者腿部情況進(jìn)行一定范圍內(nèi)的調(diào)節(jié)。 本下肢康復(fù)機(jī)器人膝關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)如圖3-6所示。下端在小腿桿上通過螺釘連接了小腿綁帶調(diào)節(jié)支架40，可在一定范圍調(diào)節(jié)小腿綁帶的前后位置。在小腿綁帶支架40上用螺釘固定的毛氈材料小腿綁帶40，這里可調(diào)綁帶的左右位置，對不同腿型的患者都有較好的兼容性。小腿軸固定板29用螺釘固連在小腿桿上。軸30上安裝了旋轉(zhuǎn)編碼器41，可以將此處轉(zhuǎn)動的位移量轉(zhuǎn)化為一些數(shù)字脈沖信號，收集傳輸?shù)街鳈C(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。外側(cè)套筒32內(nèi)置的直線彈性驅(qū)動器可以驅(qū)動推桿31運(yùn)動，與內(nèi)側(cè)套筒34以及內(nèi)側(cè)推桿32，實(shí)現(xiàn)了雙推桿套筒的運(yùn)動機(jī)構(gòu)

61、，共同作用完成膝關(guān)節(jié)運(yùn)動作用。在大腿桿上，也設(shè)置了尺寸調(diào)節(jié)裝置，大腿尺寸調(diào)節(jié)支架37通過螺釘連接在大腿桿上，可調(diào)整連在支架上的大腿固定架38的左右位置。同時大腿尺寸調(diào)節(jié)支架37還可以進(jìn)行上下的調(diào)整，多種尺寸的組合為患者提供了很全面的尺寸兼容性。 3.6直線彈性驅(qū)動器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.6.1傳動機(jī)構(gòu)的選擇 人體下肢的運(yùn)動是由肌肉來提供動力的，通過骨骼肌的收縮與舒張并通過關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動來實(shí)現(xiàn)運(yùn)動。在肌肉提供動力的同時還有輔助的軟組織來提供保護(hù)和減震。為了模擬人下肢的這種彈性運(yùn)動過程，我們可以考慮用三種方式來提供將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為在膝關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)中所需要的直線驅(qū)動裝置，分別為液壓驅(qū)動，氣動以及滾珠絲杠

62、。通過分析和對比，液壓傳動雖然能提供很強(qiáng)的動力，但是由于其漏油，故障難以排查和傳動不夠精確的缺項(xiàng)，不適用于我們對康復(fù)機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求。氣動的驅(qū)動方式有傳動響應(yīng)速度很快，工作過程中污染很小，制造成本低等特點(diǎn)，被廣泛用于各種仿生肌肉上，如氣動肌肉繩等裝置。但由于其工作時排氣的過程產(chǎn)生很大噪聲，傳動過程中精度不能保證且穩(wěn)定性相對很差。因此在下肢康復(fù)機(jī)器人設(shè)計(jì)過程中，為了患者的康復(fù)效果良好，不受到二次損傷，不考慮使用氣動結(jié)構(gòu)來完成傳動。滾珠絲杠傳動由于其具有精準(zhǔn)的定位精度與較高的傳動效率，傳動過程中磨損很小，壽命長，運(yùn)行噪音小等優(yōu)點(diǎn)，很適合在下肢康復(fù)機(jī)器人中作為傳動結(jié)構(gòu)使用。傳動精度高的優(yōu)點(diǎn)能夠很好的

63、保證步態(tài)的穩(wěn)定性，因而能夠提供良好的康復(fù)效果，防止二次損傷的發(fā)生。因此我們選擇滾珠絲杠副來完成傳動機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。 驅(qū)動器是將各種形式的能量轉(zhuǎn)化為機(jī)器動力的裝置。為了能更好的復(fù)現(xiàn)人體下肢運(yùn)動時肌肉提供的運(yùn)動模式，在這里設(shè)計(jì)一款直線彈性驅(qū)動器。簡單來說就是在動力裝置和輸出裝置中間加一個彈性環(huán)節(jié)，獨(dú)自承受動力裝置提供的驅(qū)動力和輸出端的反作用力。彈性驅(qū)動器設(shè)計(jì)原理圖如圖3-8所示。使用本文的彈性驅(qū)動器能夠有效地吸收患者在步行訓(xùn)練過程中腳著地所產(chǎn)生的沖擊力與振動，與膝關(guān)節(jié)在人下肢運(yùn)動過程中起到的作用相仿，具有很好的肌肉特性。能夠大大提高系統(tǒng)的魯棒性，減小系統(tǒng)剛度。 3.6.2彈性驅(qū)動器總體結(jié)構(gòu)概

64、述 1- 直流伺服電機(jī)，2-電機(jī)，3-機(jī)座蓋，4-固定導(dǎo)軌部分滑軌，5上擋板， 6-下?lián)醢濉?-動導(dǎo)軌部分滑軌，8-執(zhí)行端，9-彈簧驅(qū)動中間板 圖3-9總體外形圖 本彈性驅(qū)動器是由直流伺服電機(jī)驅(qū)動，有一定保護(hù)機(jī)制的并聯(lián)彈簧彈性驅(qū)動器，總體外形如圖3-9所示。主要的結(jié)構(gòu)部分固定在上擋板與執(zhí)行端之間的動導(dǎo)軌部分的滑軌7。在靠近機(jī)座端的固定滑軌支架處打了2個通孔，固定導(dǎo)軌部分滑軌（簡稱導(dǎo)向桿）穿在其中，與動滑軌呈十字狀排布。保護(hù)彈簧套在上擋板與機(jī)座之間的導(dǎo)向桿上。上下?lián)醢迮c彈簧驅(qū)動中間板9之間的推桿上布置了并聯(lián)的一組彈簧。機(jī)座通過一組均勻布置的螺釘與推桿上擋板相連。直流伺服電機(jī)2為整套

65、驅(qū)動器提供動力，使用剛性聯(lián)軸器連接了電機(jī)伸出軸與滑動絲杠上部，絲杠作為驅(qū)動桿與內(nèi)嵌在彈簧驅(qū)動中板的絲杠螺母相配合形成絲杠螺母副。 這套彈性驅(qū)動器的工作機(jī)理為：直流伺服電機(jī)作為整套驅(qū)動器的動力源，用螺絲與上機(jī)座蓋相連，電機(jī)通過聯(lián)軸器將電機(jī)的轉(zhuǎn)矩傳導(dǎo)到絲杠處，帶動絲杠旋轉(zhuǎn)。在固定導(dǎo)軌部分的滑桿的限制下，絲杠螺母帶動彈簧驅(qū)動中間板沿導(dǎo)軌縱向做直線運(yùn)動。通過這種方式將直流伺服電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)化為彈簧驅(qū)動中間板擠壓彈簧的力。之后，通過動導(dǎo)軌部分的推桿將壓力輸出并作用在執(zhí)行端出，最終作用于外載上。當(dāng)在康復(fù)訓(xùn)練過程中受到外部沖擊力時，通過推桿將所受的力傳導(dǎo)至導(dǎo)向桿前端布置的保護(hù)彈簧上。這就把沖擊力傳化為對

66、保護(hù)彈簧的壓力，同時保護(hù)彈簧也能起到吸收一定振動的效果。 整體的彈性驅(qū)動器預(yù)期目標(biāo)如下：總質(zhì)量約3.5千克，絲桿軸向的最大位移量為40毫米左右，額定工作載荷約為50kg。 3.6.3機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 在下肢康復(fù)機(jī)器人彈性驅(qū)動器的設(shè)計(jì)中，其機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是本文主要關(guān)注的部分。良好的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠較好的保證膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動性能。本文設(shè)計(jì)的整體彈性驅(qū)動器結(jié)構(gòu)如圖3-10所示。主要分為1-伺服電機(jī)模塊，2-定導(dǎo)軌模塊，3-動導(dǎo)軌模塊。 圖3-10 整體機(jī)構(gòu)示意圖 3.6.3.1定導(dǎo)軌部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) （1）定導(dǎo)軌部分總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 圖3-11定導(dǎo)軌部分 定導(dǎo)軌作為彈性驅(qū)動器最主要的組成部分之一，能夠?yàn)閯訉?dǎo)軌部分提供上下滑動的支撐和導(dǎo)向，因而能有直線驅(qū)動的作用。如圖3-11，主要由上板1，軸承擋圈2，導(dǎo)軌3，絲杠4，下板5組成。其中上下板通過過盈配合將導(dǎo)軌固定，絲桿作為主要傳動機(jī)構(gòu)，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為彈簧驅(qū)動板的直線運(yùn)動。 （2） 絲杠螺母機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 傳動機(jī)構(gòu)主要由直流伺服電機(jī)1提供動力，通過剛性聯(lián)軸器將扭矩傳給絲杠4并帶動絲杠螺母運(yùn)動。 絲杠螺母副主要有兩大類型：滑動絲杠副以及滾珠絲杠副