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(kāi)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(kāi)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(kāi)題,cad XXX設(shè)計(jì)（XX）開(kāi)題報(bào)告 設(shè)計(jì)（論文）題　目 穿戴式機(jī)械腿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 題目來(lái)源 題目類型 為結(jié)合科研 指導(dǎo)教師 學(xué)生姓名 學(xué) 號(hào) 專 業(yè) 開(kāi)題報(bào)告內(nèi)容：（調(diào)研資料的準(zhǔn)備與總結(jié)，研究目的、要求、思路與預(yù)期成果；任務(wù)完成的階段、 內(nèi)容及時(shí)間安排；完成畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）所具備的條件因素等。） 本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題應(yīng)達(dá)到的目的： （1）培養(yǎng)學(xué)生的調(diào)查研究以及資料、信息的獲取、分析等綜合能力； （2）培養(yǎng)學(xué)生的工程設(shè)計(jì)能力，主要包括設(shè)計(jì)、計(jì)算及繪圖能力； （3）培養(yǎng)學(xué)生的綜合運(yùn)用專業(yè)理論知識(shí)，分析解決實(shí)際問(wèn)題的能力； （4）培養(yǎng)學(xué)生的在設(shè)計(jì)過(guò)程中使用計(jì)算機(jī)的能力； （5）培養(yǎng)學(xué)生的撰寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)、論文的能力； （6）培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和創(chuàng)新精神。 本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題工作進(jìn)度計(jì)劃： 起止日期 工 作 內(nèi) 容 2014-02-22~2014-03-31 2014-04-1～2014-05-30 2014-06-01～2014-06-07 畢業(yè)設(shè)計(jì)開(kāi)始，查閱中外文資料，完成外文翻譯，完成實(shí)習(xí)調(diào)研和實(shí)習(xí)報(bào)告，完成開(kāi)題報(bào)告； 進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)，接收畢業(yè)設(shè)計(jì)中期檢查，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)原理設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，撰寫(xiě)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文； 修改完善畢業(yè)論文、準(zhǔn)備畢業(yè)答辯、整理畢業(yè)設(shè)計(jì)期間的所有資料、成果并歸檔。 　 文 獻(xiàn) 綜 述 一、課題研究的內(nèi)容及意義 穿戴式智能設(shè)備”是應(yīng)用穿戴式技術(shù)對(duì)日常穿戴進(jìn)行智能化設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)出可以穿戴的設(shè)備的總稱，如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(gè)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(gè)行業(yè)具有很多應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，逐漸成為國(guó)內(nèi)外機(jī)器人研究領(lǐng)域的一個(gè)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(dòng)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(lái)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(dòng)系統(tǒng)比較穩(wěn)定 步行機(jī)器人的腿部運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)可以保證身體相對(duì)地面的穩(wěn)定，因其腿部具有多個(gè)自由度，靈活性大，同時(shí)可以通過(guò)調(diào)節(jié)腿的伸展度來(lái)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(dòng)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(duì)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(lè)服務(wù)等領(lǐng)域，仿人機(jī) 器人具有更明顯的優(yōu)勢(shì)。 仿人步行機(jī)器人具有諸多的優(yōu)勢(shì)，使其成為日前研究的熱點(diǎn)。為使機(jī)器人腿部能協(xié)調(diào)而穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)，機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)算法的研究都比較復(fù)雜，使其研究充滿挑戰(zhàn)。 二、課題國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀 1.國(guó)外研究現(xiàn)狀 2000年，德國(guó)自由大學(xué)Hesse Stefen等人研制了一種下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人MGT 。 2001年，德國(guó)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(dòng)式下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人Stringman，配合踏步車使用。 Ekso Bionics，是一款可穿戴的、通過(guò)電池供電的仿生機(jī)械腿，將之穿在身上后，它可以提供必要的支撐力，讓人重新站立。而且整套系統(tǒng)還采用了仿生設(shè)計(jì)，以內(nèi)置電動(dòng)馬達(dá)為動(dòng)力，當(dāng)人們把它穿在身上，就能重新獲得行走的能力！ Ekso Bionics圖 2.國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 在下肢機(jī)器人方面，國(guó)內(nèi)研究起步較晚，取得的成果也不多。目前的研究機(jī)構(gòu)主要有上海大學(xué)、浙江大學(xué)、哈爾濱工業(yè)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(kāi)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(kāi)發(fā)的可穿戴式的下肢步行外骨骼。從2004年，中科院合肥智能機(jī)械研究所也開(kāi)始從事相關(guān)的研究工作。 2002年，哈爾濱工程大學(xué)機(jī)電一體化研究所研制出了一種下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人樣，如圖1-16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(kāi)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(dòng)并聯(lián)康復(fù)機(jī)器人。 2006年，上海大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院也研究了一套可穿戴式助力機(jī)械腿，如圖1-17所示。單側(cè)下肢有兩個(gè)自由度，分別為骸關(guān)節(jié)屈/伸和膝關(guān)節(jié)屈/伸。 2007年，哈爾濱工程大學(xué)機(jī)電一體化實(shí)驗(yàn)室的研究小組研制了被動(dòng)式步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練器。2009年，該研究小組又提出了步態(tài)訓(xùn)練機(jī)器，機(jī)器人可控制雙足矢狀面內(nèi)六自由度的運(yùn)動(dòng)，具有承載能力強(qiáng)，步幅、步態(tài)、足底姿態(tài)可靈活調(diào)整等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)不同的軌跡規(guī)劃，機(jī)器人能夠模擬上、下樓梯，平地行走等步態(tài)動(dòng)作。利用柔順控制等多種控制策略，可模擬沙地、草地等多種路況的行走。實(shí)驗(yàn)研究表明，該機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)多種步態(tài)的控制，且具有較好的訓(xùn)練效果。 三.發(fā)展的趨勢(shì) 2006年《中國(guó)人口老齡化發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)研究報(bào)告》表明，到2023年，我國(guó)老年人口將達(dá)到2.7億，與0-14歲少兒人口數(shù)量相等。而到2051年，中國(guó)老年人口規(guī)模將達(dá)到峰值4.37億，約為少兒人口數(shù)量的2倍。針對(duì)我國(guó)人口老齡化的口益嚴(yán)重、腦卒中患者數(shù)量多、治療醫(yī)師資源缺乏的情況，開(kāi)發(fā)一種可以為偏癱、截癱等肢體殘疾人員及體弱老年人提供康復(fù)訓(xùn)練和助行服務(wù)的機(jī)器人，對(duì)降低老年人跌倒的比例、幫助偏癱患者樹(shù)立重新行走的信心、提高老年人獨(dú)立生活的質(zhì)量減輕社會(huì)負(fù)擔(dān)具有重要的研究意義。同時(shí)，機(jī)器人輔助設(shè)備可以極大的降低康復(fù)師的工作量，促進(jìn)患者的主動(dòng)參與，可以客觀的評(píng)價(jià)康復(fù)訓(xùn)練的強(qiáng)度、時(shí)間和效果，使康復(fù)治療更加系統(tǒng)化和規(guī)范化。 穿戴式機(jī)械腿應(yīng)用于醫(yī)療上越來(lái)越多，幫助殘疾人站起來(lái)。 盡管目前己經(jīng)開(kāi)發(fā)出了多種助行康復(fù)機(jī)器人，但機(jī)器人在機(jī)械結(jié)構(gòu)精巧、人機(jī)協(xié)調(diào)、自動(dòng)適應(yīng)用戶的行為、工作延續(xù)性、提高用戶的舒適度等方面還遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到實(shí)際應(yīng)用的要求。同時(shí)，由于目前的康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人運(yùn)用于臨床康復(fù)的訓(xùn)練方案、訓(xùn)練的評(píng)價(jià)方法等還處于摸索階段，機(jī)器人技術(shù)完全應(yīng)用于臨床康復(fù)訓(xùn)練還需要深入、系統(tǒng)的研究和探索。因此，對(duì)機(jī)器人進(jìn)行改良，開(kāi)展與其它臨床康復(fù)方法的有機(jī)結(jié)合以提高其臨床康復(fù)效果，擴(kuò)展其治療手段是非常有必要的。 綜上所述，研究助行康復(fù)機(jī)器人技術(shù)，使其滿足康復(fù)訓(xùn)練、輔助行走、節(jié)省能耗、攜帶方便等需要，并且更加符合人體生理習(xí)慣，令使用者步態(tài)更自然，提高老年人的生活質(zhì)量，減輕社會(huì)負(fù)擔(dān)，使其真正服務(wù)于需要的人，有著重要的意義。 四.存在的問(wèn)題 近年來(lái)，關(guān)于外骨骼機(jī)構(gòu)的人一機(jī)運(yùn)動(dòng)相容性設(shè)計(jì)問(wèn)題開(kāi)始得到研究者的關(guān)注，一些研究者對(duì)上肢外骨骼機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)相容性進(jìn)行了分析，并基于人機(jī)工程學(xué)原理對(duì)上肢外骨骼機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了研究。但是對(duì)下肢康復(fù)機(jī)器人機(jī)構(gòu)的人一機(jī)相容性問(wèn)題以及影響人一機(jī)相容性的因素方面研究較少，主要問(wèn)題如下。 (l)人一機(jī)聯(lián)接模式對(duì)人一機(jī)相容性的影響現(xiàn)有下肢康復(fù)機(jī)器人中，人一機(jī)之間采直接綁縛或通過(guò)穿戴具以緊致穿戴的形式相聯(lián)接，缺乏有關(guān)人一機(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(duì)人一機(jī)運(yùn)動(dòng)相容性的影響。 (2)機(jī)構(gòu)構(gòu)型對(duì)人一機(jī)相容性的影響現(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(gè)回轉(zhuǎn)副進(jìn)行運(yùn)動(dòng)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(zhǎng)度確定。優(yōu)點(diǎn)是機(jī)器人機(jī)構(gòu)的構(gòu)型相對(duì)簡(jiǎn)潔且機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)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(duì)應(yīng)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)屬性也有所不同，構(gòu)型的選取會(huì)直接影響人一機(jī)之間的運(yùn)動(dòng)相容性。 (3)機(jī)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化對(duì)人一機(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(dòng)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(huì)導(dǎo)致人一機(jī)運(yùn)動(dòng)不相容，在聯(lián)接部位發(fā)生運(yùn)動(dòng)干涉與沖突。 此外，在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中，材料選擇、結(jié)構(gòu)美觀和機(jī)構(gòu)可調(diào)性等也是研究的重要問(wèn)題。 本課題要研究或解決的問(wèn)題和擬采用的研究手段（途徑） 1.研究或解決的5大問(wèn)題 (1)可穿戴性要好:下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人要有良好的可穿戴性經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的訓(xùn)練即可非常容易順利快速地穿脫。 (2)可調(diào)節(jié)性要強(qiáng):下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人面向的患者群體年齡跨度大，外骨骼應(yīng)能適應(yīng)各種身高體重的患者，因此其在長(zhǎng)度及寬度方向都應(yīng)能調(diào)節(jié)以適應(yīng)不同患者穿戴。 (3)結(jié)構(gòu)要輕巧:外骨骼機(jī)器人應(yīng)盡量輕巧、簡(jiǎn)便方便穿戴和驅(qū)動(dòng)，節(jié)省能源。 (4)相互干擾性要小:盡量減小人與外骨骼的直接接觸面，減小人機(jī)相互干擾，從而減小對(duì)人體各方面的限制。 (5)柔順、舒適性要好:下肢外骨骼機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)與人體下肢的運(yùn)動(dòng)要具有很好的協(xié)調(diào)性。其結(jié)構(gòu)、自由度的配置要與人體結(jié)構(gòu)與自由度相匹配。使穿戴著感覺(jué)柔順自然。 2.研究手段 （1）弄清楚穿戴式機(jī)械腿機(jī)構(gòu)特點(diǎn) 1穿戴式機(jī)械腿的結(jié)構(gòu)布局特點(diǎn) 機(jī)械腿通過(guò)三個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，類似于人體膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其驅(qū)動(dòng)裝置安放在固定件的位置上。該機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)桿件不必承載驅(qū)動(dòng)電機(jī)的重量，減少了電機(jī)數(shù)量，這種擬人機(jī)械腿具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、承載能力強(qiáng)、運(yùn)動(dòng)慣性小、運(yùn)動(dòng)靈活等優(yōu)點(diǎn)，克服了傳動(dòng)系統(tǒng)復(fù)雜、動(dòng)態(tài)特性差等缺點(diǎn)。 這種穿戴式機(jī)械腿的結(jié)構(gòu)布局特點(diǎn)如下:①三個(gè)直線移動(dòng)副P1、P2和P3相互平行;②三個(gè)直線移動(dòng)副P1、P2和P3均安裝在基座上;③當(dāng)桿FO2垂直于而MNO2、平行于桿FO1，且各移動(dòng)副輸入均為零時(shí)，這種膝關(guān)節(jié)和躁關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)處于初始位姿。移動(dòng)副P1、P2和P3的初始長(zhǎng)度分別為L(zhǎng)io （i=1,2,3),}Z分別為各直線移動(dòng)副的輸入位移。建立兩個(gè)坐標(biāo)系:靜坐標(biāo)系R(O1X1Y1Z1)、動(dòng)坐標(biāo)系S(O2X2Y2Z2)，如圖1所示，點(diǎn)O2為這種機(jī)構(gòu)的參考點(diǎn)。 圖1 （2）穿戴式機(jī)械腿設(shè)計(jì)方案 1. 基于機(jī)械腿的參數(shù)優(yōu)化結(jié)果，同時(shí)考慮加工與裝配工藝性，給出一種擬人機(jī)械腿的設(shè)計(jì)方案，如圖2(a)所示，這種擬人機(jī)械腿與球而三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)(作為擬人骸關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)原型)串聯(lián)在一起，構(gòu)成擬人下肢的設(shè)計(jì)方案，如圖2(b)所示。這種擬人機(jī)械腿機(jī)構(gòu)的膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)采用4- DOF欠驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)為機(jī)構(gòu)原型，通過(guò)三個(gè)電機(jī)實(shí)現(xiàn)膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)方式，電機(jī)等固定件靠近腰部附近，減小電機(jī)等固定件產(chǎn)生的力矩，增加腿部的承載能力，減小運(yùn)動(dòng)慣性，發(fā)揮并聯(lián)機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)，這種新型擬人下肢可實(shí)現(xiàn)任何步態(tài)狀況，具有主動(dòng)控制步態(tài)的優(yōu)點(diǎn)。因此，這種新型擬人下肢具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、承載能力強(qiáng)、運(yùn)動(dòng)慣性小、運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。 圖2（a） 圖2（b） （3）機(jī)械腿結(jié)構(gòu)的優(yōu)化 按照機(jī)構(gòu)原理圖的設(shè)計(jì)圖想，其中較難設(shè)計(jì)的部分為膝關(guān)節(jié)所在支鏈的平面四桿機(jī)構(gòu)而如果完全按原理圖的設(shè)計(jì)，將轉(zhuǎn)動(dòng)副F.通過(guò)個(gè)單獨(dú)的桿件與基座固連，那么機(jī)械腿顯得不夠緊湊和靈巧。在傳動(dòng)副F點(diǎn)的固定問(wèn)題上可以去掉桿件IF,將傳動(dòng)副F直接表示 圖3 圖4 圖5 為機(jī)架固連，圖3，那么再設(shè)計(jì)傳動(dòng)副F只要固連任何與機(jī)架相連的地方即可，圖3為了使機(jī)械腿的結(jié)構(gòu)史緊湊，將圖3中的AIFJ支鏈翻轉(zhuǎn)180度.再將點(diǎn)J上的桿件固連到點(diǎn)E 上，如圖4所示，這樣I改動(dòng)不改變?cè)械墓ぷ髟?。移?dòng)副采用滾珠絲桿實(shí)現(xiàn)，根據(jù)改進(jìn)的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖，設(shè)計(jì)了如圖5所小的膝關(guān)口聽(tīng)在支鏈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，扣將轉(zhuǎn)動(dòng)副F固定絲杠導(dǎo)軌的基座上，而該基座與機(jī)械腿的靜平臺(tái)基座固連，這樣使得擬人機(jī)械腿結(jié)構(gòu)緊湊，同時(shí)減輕重量。 （4）加入胡克鉸結(jié)構(gòu) 胡克鉸（圖6）在并聯(lián)機(jī)構(gòu)中使用傾率很高，而該結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)直接彩響了整個(gè)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的性能。因?yàn)樵谘芯繖C(jī)構(gòu)的工作空間時(shí)，在考慮約束的影響中，胡克鉸兩個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍是一個(gè)重要因素。對(duì)這個(gè)擬人機(jī)械腿機(jī)構(gòu)，沒(méi)有桿件之間的干涉，胡克鉸的性能對(duì)這個(gè)機(jī)構(gòu)性能(工作空間)起了決定性的作用。 圖6 （5）裝配體結(jié)構(gòu) 對(duì)三條運(yùn)動(dòng)支鏈進(jìn)行合理布局，避免桿件發(fā)生運(yùn)動(dòng)干涉，同時(shí)根據(jù)裝配工藝要求設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)支鏈與動(dòng)、靜平臺(tái)的連接方一式。 擬人機(jī)械腿的裝配體結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。三條運(yùn)動(dòng)支鏈通過(guò)上、下平臺(tái)連接在一起，并通過(guò)板件對(duì)其加固。電機(jī)固定上平臺(tái)上，上平臺(tái)上與關(guān)節(jié)相連。下平臺(tái)設(shè)計(jì)為腳底板，直接與地面接觸。 圖7 （6）機(jī)械腿的方案最終實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)圖 圖8