康復(fù)機(jī)器人的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

康復(fù)機(jī)器人的系統(tǒng)設(shè)計(jì),康復(fù),痊愈,機(jī)器人,系統(tǒng),設(shè)計(jì) 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 0 第 1 章 緒論 1.1 概述 據(jù)報(bào)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(dá)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(shì)。同時(shí)，由于 交通運(yùn)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(jì)的有神經(jīng)科疾病病史和受到過意外傷害 的患者需要進(jìn)行康復(fù)治療，僅以中風(fēng)為例，每年大約有 600，000 中風(fēng)幸存 者，其中的二百萬病人在中風(fēng)后存在長期的運(yùn)動(dòng)障礙。隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展， 這個(gè)特殊群體已得到了更多人的關(guān)注，為了提高他們的生活質(zhì)量，治療、康 復(fù)和服務(wù)于他們的產(chǎn)品的技術(shù)和質(zhì)量也在相應(yīng)地提高。隨著機(jī)器人技術(shù)和康 復(fù)醫(yī)學(xué)的發(fā)展，在歐洲、美國和日本等國家，醫(yī)療康復(fù)機(jī)器人的市場(chǎng)占有率 呈逐年上升的趨勢(shì)，僅預(yù)測(cè)日本未來機(jī)器人市場(chǎng)，2005 年醫(yī)療、護(hù)理、康 復(fù)機(jī)器人的市場(chǎng)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(jī)器人的所有應(yīng)用領(lǐng)域中占據(jù)首位。因此， 服務(wù)于四肢的康復(fù)設(shè)備的研究和應(yīng)用有著廣闊的發(fā)展前景 [2]。 康復(fù)機(jī)器人是康復(fù)設(shè)備的一種類型?？祻?fù)機(jī)器人技術(shù)早已廣受世界各國 科研工作者和醫(yī)療機(jī)構(gòu)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(fù)醫(yī)學(xué)工程雖然得到了普遍的重視，而康復(fù)機(jī)器人研究仍處于起步階 段，一些簡單康復(fù)器械遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足市場(chǎng)對(duì)智能化、人機(jī)工程化的康復(fù)機(jī)器 人的需求，有待進(jìn)一步的研究和發(fā)展。 由于康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人要與人體直接相連，來帶動(dòng)肢體進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，所 以對(duì)驅(qū)動(dòng)器的安全性、柔性的要求較高。近年來，以氣動(dòng)元件柔性驅(qū)動(dòng)器逐 漸引起人們的重視，在醫(yī)療康復(fù)器械領(lǐng)域中得到越來越多的應(yīng)用。 本課題的研究目的是設(shè)計(jì)一種用于腦損傷、中風(fēng)等病人的步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 1 系統(tǒng)，幫助病人更好地進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，減輕他人的幫助，挺高效果。 1.2 康復(fù)機(jī)器人的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 在對(duì)有運(yùn)動(dòng)障礙的老人或殘疾人進(jìn)行治療和康復(fù)的過程中，使用康復(fù)機(jī) 器人可以解決好多問題：機(jī)器人的使用可以解決專業(yè)護(hù)理人員缺乏和醫(yī)療費(fèi) 用昂貴的問題，可以避免由于訓(xùn)練方法不科學(xué)和專業(yè)護(hù)理人員個(gè)人疏忽等主 觀原因引起的對(duì)病人的傷害，可供病人在家或工作場(chǎng)所使用，使病人獲得更 多的獨(dú)立生活能力，提高了病人的生活質(zhì)量等?？祻?fù)機(jī)器人是一種自動(dòng)化醫(yī) 療康復(fù)設(shè)備，它以醫(yī)學(xué)理論為依據(jù)，幫助患者進(jìn)行科學(xué)而有效的康復(fù)訓(xùn)練， 使患者的運(yùn)動(dòng)機(jī)能得到更快更好的恢復(fù)。目前，康復(fù)機(jī)器人已經(jīng)廣泛地應(yīng)用 到康復(fù)護(hù)理、假肢和康復(fù)治療等方面，這不僅促進(jìn)了康復(fù)醫(yī)學(xué)的發(fā)展，也帶 動(dòng)了相關(guān)領(lǐng)域的新技術(shù)和新理論的發(fā)展。 康復(fù)機(jī)器人有兩種：輔助型康復(fù)機(jī)器人和康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人。輔助型康復(fù) 機(jī)器人主要是幫助肢體運(yùn)動(dòng)有困難的患者完成各種動(dòng)作，該類產(chǎn)品有機(jī)器人 輪椅、機(jī)器人護(hù)士、機(jī)器人假肢、機(jī)械外骨骼等。康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的主要功 能是幫助患者完成各種運(yùn)動(dòng)功能的恢復(fù)訓(xùn)練，該類產(chǎn)品有行走訓(xùn)練、手臂運(yùn) 動(dòng)訓(xùn)練、脊椎運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練等。 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，康復(fù)機(jī)器人技術(shù)在歐 美等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。對(duì)于中風(fēng)、偏癱、下肢 運(yùn)動(dòng)機(jī)能損傷等患者來說，下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人有著很好的治療效果。國內(nèi) 外許多研究機(jī)構(gòu)都在這方面取得了不錯(cuò)的研究結(jié)果。下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人發(fā) 展主要經(jīng)歷了幾個(gè)階段。由早期的簡單步行訓(xùn)練機(jī)發(fā)展到現(xiàn)在功能豐富、符 合人體運(yùn)動(dòng)機(jī)理的下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人。早期發(fā)展的下肢康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)是借 助于跑步機(jī)、懸吊系統(tǒng)等幫助患者進(jìn)行運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練，此種產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格 便宜，但訓(xùn)練過程中必須有專業(yè)人員的幫助，而且并不符合人體運(yùn)動(dòng)機(jī)理， 還不能稱為康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人，只能是一種半自動(dòng)的康復(fù)訓(xùn)練機(jī)械，如圖 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 2 1.1、圖 1.2 所示。圖 1.1、圖 1.2 中的步行訓(xùn)練機(jī)，它的功能單一、價(jià)格便 宜，而且需要在專業(yè)護(hù)理人員的幫助下進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，這種機(jī)械對(duì)下肢病情 比較輕的病人較合適。 圖 1.1 步行訓(xùn)練機(jī) [3] 圖 1.2 懸掛式步行訓(xùn)練機(jī) [4] 隨著機(jī)器人技術(shù)和康復(fù)醫(yī)學(xué)的發(fā)展，人們對(duì)人的行走步態(tài)有了比較清楚 的認(rèn)識(shí)，開發(fā)出了一些符合人體康復(fù)需要的產(chǎn)品。 德國柏林自由大學(xué)(Free University of Berlin)開展了腿部康復(fù)機(jī)器人的研 究 [5]，并研制了 MGT 型康復(fù)機(jī)器人樣機(jī)(圖 1.3)。 瑞士蘇黎士聯(lián)邦工業(yè)大學(xué)(ETH)在腿部康復(fù)機(jī)構(gòu)、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(huì)上展出了名為 LOKOMAT(圖 1.4)的康復(fù)機(jī)器人模型。LOKOMAT 機(jī)器人主要由步態(tài)矯正 器、先進(jìn)的體重支持系統(tǒng)和跑臺(tái)組成。LOKOMAT 機(jī)器人以使用者為根本， 通過對(duì)機(jī)器人的行為、耐心、合作及運(yùn)動(dòng)功能進(jìn)行評(píng)估,建立了一種更為有 效的治療方式，即：機(jī)器人先偵測(cè)使用者的運(yùn)動(dòng)，并且跟隨使用者的運(yùn)行軌 跡而不是強(qiáng)制使用者按照預(yù)定的軌跡運(yùn)動(dòng)，通過機(jī)器人的自適應(yīng)功能，來滿 足使用者的不同需求，它可以調(diào)整訓(xùn)練參數(shù)以適合不同患者的需要 [6]。 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 3 圖 1.3 MGT 型康復(fù)機(jī)器人 圖 1.4 LOKOMAT 機(jī)器人 德國柏林的 IPK 研究所研制的 Robotic Gait Rehabilitation，通過一個(gè)可 編程控制的腳踏板來帶動(dòng)患者實(shí)現(xiàn)步態(tài)的軌跡模擬，這個(gè)腳踏板由直線電機(jī) 帶動(dòng)實(shí)現(xiàn)往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，腳踏板支撐部分類似于二自由度機(jī)械臂，由兩個(gè)伺 服電機(jī)驅(qū)動(dòng) [7](圖 1.5） 。 圖 1.5 robotic gait rehabilitation 系統(tǒng)在試驗(yàn)中 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 4 美國加州大學(xué)伯克利分校的科學(xué)家研制出一種機(jī)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(huì) 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(dòng)力設(shè)備等， 這種機(jī)器人除了可以幫助正常人增加負(fù)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(fù)下肢功能(圖 1.6） 。 圖1.6 BLEEX 日本筑波大學(xué)Cybernics實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家和工程師們，研制出了世界上第 一種商業(yè)外骨骼機(jī)器人(Hybrid Assistive Leg ，HAL) [9](圖1.7)，準(zhǔn)確地說，是 自動(dòng)化機(jī)器人腿：“ 混合輔助腿 ”。這種裝置能幫助殘疾人以每小時(shí) 4公里的 速度行走，毫不費(fèi)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(jī)器人。神奈川理工學(xué)院研制的“ 動(dòng)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(yùn)動(dòng)狀況，通過復(fù)雜的氣壓傳動(dòng)裝置增加人的力量。這種裝置最初是 為護(hù)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(jī)器人的幫助下實(shí)現(xiàn)了登山運(yùn)動(dòng)。 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 5 圖1.7 HAL機(jī)器人 圖1.8 Power Assist Suit 美國NPH研究中心開創(chuàng)了機(jī)器人系統(tǒng)量化步行能力和步態(tài)失調(diào)的研究領(lǐng) 域，根據(jù)活動(dòng)依賴神經(jīng)系統(tǒng)的可塑性，量化和評(píng)估模式肌電圖在步態(tài)等方面 的作用，建立數(shù)學(xué)模型模擬的感覺運(yùn)動(dòng)障礙。圖1.9為NPH的機(jī)器人在實(shí)驗(yàn)中。 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 6 圖1.9 NPH的機(jī)器人在進(jìn)行試驗(yàn) 在我國，康復(fù)醫(yī)療工程已經(jīng)得到了普遍重視，康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人廣闊的應(yīng) 用前景將推動(dòng)康復(fù)機(jī)器人技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。我國對(duì)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(duì)較多，康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人方面的研 究成果則比較少。清華大學(xué)在國內(nèi)率先研制了臥式下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人樣機(jī) 在這項(xiàng)成果中他們采用了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù) [10]。哈爾濱工程大學(xué)在康復(fù)機(jī)器人 方面也取得了不錯(cuò)的成果。哈爾濱工程大學(xué)研制的下肢康復(fù)機(jī)器人可以模擬 正常人行走的步態(tài)、踝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)以及重心的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，帶動(dòng)下肢做行 走運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)下肢各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練、肌肉的鍛煉以及神經(jīng)功能的恢復(fù) 訓(xùn)練。通過獲取腳的受力狀態(tài)、腿部肌肉狀態(tài)和下肢關(guān)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(yùn)動(dòng)關(guān)系，使之與人體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)相協(xié) 調(diào)，獲得最佳訓(xùn)練效果。圖1.10 、圖1.11 所示分別為哈爾濱工程大學(xué)研制 的臥式下肢康復(fù)機(jī)器人和基于步態(tài)姿態(tài)控制的下肢康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng) [11]。 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 7 圖1.9 臥式下肢康復(fù)機(jī)器人 圖1.10 下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)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(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)的設(shè)計(jì)” 的研究目的是設(shè)計(jì)出一種 可以輔助下肢有運(yùn)動(dòng)功能障礙的老人或殘疾人進(jìn)行功能恢復(fù)訓(xùn)練的康復(fù)機(jī)器 人，工作重點(diǎn)是機(jī)器人機(jī)械本體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，要考慮安全性、可靠性、柔順 性，同時(shí)進(jìn)行了氣動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。課題內(nèi)容主要包括： 1.步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，包括人體行走的步 態(tài)、自由度的設(shè)計(jì)、基本參數(shù)的選取、整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。 2.機(jī)器人機(jī)械本體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與計(jì)算，包括姿態(tài)控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和減重結(jié) 構(gòu)設(shè)計(jì)。 3.機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器的供氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 8 第 2 章 總體方案設(shè)計(jì)與選擇的論證 2.1 步態(tài)分析 下肢康復(fù)機(jī)器人是對(duì)有腦損傷、中風(fēng)等病人進(jìn)行主動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練的自動(dòng)化 機(jī)械裝置。它可以幫助患者進(jìn)行運(yùn)動(dòng)機(jī)能恢復(fù)性訓(xùn)練，進(jìn)行主動(dòng)式步態(tài)訓(xùn)練。 正常人在行走時(shí)腳在一個(gè)步態(tài)周期內(nèi)的運(yùn)動(dòng)情況如圖 2.1 所示 [12]。 圖 2.1 步態(tài)周期 1個(gè)步行周期分為兩個(gè)時(shí)期，支撐期和擺動(dòng)期。支撐期是當(dāng)腳和地面接 觸的時(shí)間，它占了一個(gè)步行周期的62%。擺動(dòng)期是腳在空中的時(shí)間，它占了 一個(gè)步行周期的38%。足跟接地即進(jìn)入支撐期，足趾離地進(jìn)入擺動(dòng)期。支撐 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 9 期占步行周期62%( 其中單側(cè)肢體支撐期占37%，雙側(cè)肢體支撐期占25%)， 擺動(dòng)期占步行周期的38%。雙側(cè)肢體支撐期中包括預(yù)承重期和擺動(dòng)前期，各 占步行周期12%。各時(shí)期劃分及有關(guān)具體內(nèi)容如下:(l)雙側(cè)肢體支撐期。為雙 足著地、由雙側(cè)肢體支撐體重的時(shí)期，又分為被測(cè)下肢在前的“前足著地雙 足支撐期”(預(yù)承重期)和被測(cè)下肢在后的“后足蹬地雙足支撐期 ”(擺動(dòng)前期)2 個(gè)時(shí)期。預(yù)承重期是從被側(cè)足足跟著地至對(duì)側(cè)足趾離地的時(shí)期;擺動(dòng)前期是 從對(duì)側(cè)足足跟著地至被側(cè)足足趾離地的時(shí)期。一側(cè)足的預(yù)承重期即為對(duì)側(cè)足 的擺動(dòng)前期。 (2)單側(cè)肢體支撐期。僅由被測(cè)足承擔(dān)體重的時(shí)期，即從對(duì)側(cè)足足趾離地至 對(duì) 側(cè)足足跟著地的時(shí)期，也是對(duì)側(cè)肢體擺動(dòng)期。(3)擺動(dòng)期。被測(cè)足不接觸地 面 的時(shí)期，即從被測(cè)足足趾離地至同側(cè)足跟著地的時(shí)期，也是對(duì)單側(cè)肢體支撐 期。 步態(tài)各重要階段動(dòng)作: (1)腳后跟受 :一般的步態(tài)歷程，最開始的動(dòng)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(dòng)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(dāng)右腳完全程載后，左腳開始擺動(dòng)，擺動(dòng)后右腳瞬間 的動(dòng)作即為支撐段中期； (4)腳后跟離地 :左腳擺動(dòng)過右腳后，右腳后跟離開地面的動(dòng)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(shí)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(dòng)前的動(dòng)作，所以也稱 為預(yù)先擺動(dòng)； (6)擺動(dòng)中期 :右腿擺動(dòng)過左腿的瞬間動(dòng)作，此時(shí)的動(dòng)作為支撐段中期。 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 10 在一個(gè)步態(tài)周期的各個(gè)時(shí)間點(diǎn)，各個(gè)關(guān)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(gè) 75kg 的人以 1.3m/s 的步行速度在平地上走 時(shí)，髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)三處關(guān)節(jié)在一個(gè)步行周期內(nèi)不同階段的轉(zhuǎn)角和 力矩變化 [13][14][15]。 圖2.2 步行周期內(nèi)踝關(guān)節(jié)的角度變化 圖2.3 踝關(guān)節(jié)力矩變化 由圖2.2、2.3可知步行時(shí)踝關(guān)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(shí)踝關(guān)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(shí)踝關(guān)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(xué)合理有效的進(jìn)行下肢康復(fù)訓(xùn)練， 所設(shè)計(jì)的康復(fù)機(jī)器人下肢各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)（角度、力矩）和人體行走時(shí)關(guān)節(jié)的 運(yùn)動(dòng)（角度、力矩）應(yīng)該近似。為本設(shè)計(jì)就是根據(jù)這個(gè)原則進(jìn)行設(shè)計(jì)的。 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 11 圖2.4 膝關(guān)節(jié)的角度變化 圖2.5 膝關(guān)節(jié)的力矩變化 圖2.6 髖關(guān)節(jié)角度變化 圖2.7 髖關(guān)節(jié)力矩變化 2.2 方案的選擇 本設(shè)計(jì)的主要工作是設(shè)計(jì)出一個(gè)下肢有六個(gè)自由度（下肢每一條腿有3 個(gè)自由度）的康復(fù)機(jī)器人及其相應(yīng)的框架和減重機(jī)構(gòu)（一個(gè)自由度），然后 綁在人腰部和下肢上，分別帶動(dòng)髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，從而訓(xùn)練 相應(yīng)部位的肌肉，幫助使用者恢復(fù)下肢的運(yùn)動(dòng)功能，機(jī)構(gòu)模型如圖2.8。它 由減重機(jī)構(gòu)、姿態(tài)控制機(jī)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)平板等組成。 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 12 圖 2.8 機(jī)器人的功能模型 減重機(jī)構(gòu)可以承擔(dān)患者的一部分體重，減輕病腿的負(fù)荷，還可以調(diào)節(jié)人 體的重心上下浮動(dòng)。減重機(jī)構(gòu)在人體行走時(shí)提供的是一個(gè)恒力，它由一個(gè)氣 缸通過滑輪驅(qū)動(dòng)。 運(yùn)動(dòng)平板通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)，能調(diào)節(jié)速度，使適應(yīng)人體行走的不同速度需要。 姿態(tài)控制機(jī)構(gòu)主要模仿人體下肢關(guān)節(jié)的功能結(jié)構(gòu)。由氣缸驅(qū)動(dòng)的仿人體 下肢帶動(dòng)人體下肢運(yùn)動(dòng)。關(guān)節(jié)是人體運(yùn)動(dòng)的樞紐，是傳遞載荷、保持能量、 協(xié)助運(yùn)動(dòng)的重要器官。關(guān)節(jié)長期制動(dòng)，會(huì)使肌肉的破壞負(fù)最大載下降，能量 儲(chǔ)存也會(huì)明顯減少，最終會(huì)導(dǎo)致肢體的完全癱瘓。用關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)來帶動(dòng)肌肉進(jìn) 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 13 行收縮運(yùn)動(dòng)，可以恢復(fù)和保持肌肉的收縮功能。髖肩關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié) 是人體下肢關(guān)節(jié)中的三個(gè)主要關(guān)節(jié)。 關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征主要包括兩部分：一是關(guān)節(jié)的活動(dòng)幅度，二是如何達(dá) 到這個(gè)活動(dòng)范圍。本設(shè)計(jì)就是根據(jù)這個(gè)原則進(jìn)行的。 2.2.1 自由度的設(shè)計(jì) 人體下肢的靈活度很高，關(guān)節(jié)比較復(fù)雜。下肢運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)主要包括髖關(guān)節(jié)、 膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié) 3 個(gè)部分。髖關(guān)節(jié)是球窩關(guān)節(jié)，它的活動(dòng)形式有 3 種，分別 是向前伸展/向后伸展（hip flexion/extension） 、側(cè)向內(nèi)轉(zhuǎn)/外展（hip duction/adduction） 、和向內(nèi)外扭轉(zhuǎn)（ hip rotation） 。膝關(guān)節(jié)有向前伸展/ 向后 伸展（knee flexion/extension）和側(cè)向內(nèi)轉(zhuǎn)/外展（ hip abduction/adduction）兩 種活動(dòng)形式。踝關(guān)節(jié)有背/跖屈（ankle plantarflexion/dorsiflexion） 、側(cè)向內(nèi)轉(zhuǎn) /外展（ankle abduction/adduction） 、向內(nèi)外扭轉(zhuǎn)（ankle rotation）3 種形式的 運(yùn)動(dòng)。每一條腿有 7 個(gè)自由度，想要設(shè)計(jì)出一個(gè)能夠完成下肢各個(gè)關(guān)節(jié)的康 復(fù)運(yùn)動(dòng)的機(jī)器人非常難?？紤]到有些關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)消耗的能量小和結(jié)合康復(fù)醫(yī)學(xué) 的相關(guān)知識(shí)，確定 3 個(gè)自由度：髖關(guān)節(jié)的向前伸展、向后伸展，膝關(guān)節(jié)的向 前伸展、向后伸展，踝關(guān)節(jié)的背曲和跖曲?？傮w結(jié)構(gòu)有兩條腿和一個(gè)減重機(jī) 構(gòu)共 7 個(gè)自由度。 2.2.2 基本參數(shù)的選取 下肢康復(fù)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)和人體的運(yùn)動(dòng)學(xué)相近，因此人體下肢關(guān)節(jié)的運(yùn) 動(dòng)范圍決定了下至康復(fù)機(jī)器人的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)范圍。下肢康復(fù)機(jī)器人的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng) 范圍至少要和人體行走時(shí)關(guān)節(jié)范圍一致。為了安全，機(jī)器人的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)范圍 一般要小于人體關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)范圍的最大值。 參考人體下肢各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)角度，結(jié)合本設(shè)計(jì)的使用者是下肢需要康復(fù) 的患者和各關(guān)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(xué)本科生畢業(yè)論文 14 表 2.1 各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)范圍（°） 關(guān)節(jié)活動(dòng)形式 人體行走最 大值 機(jī)器人關(guān)節(jié)取 值 人體關(guān)節(jié) 活動(dòng)最大值 髖關(guān)節(jié)向前伸展 32.2 45 119 髖關(guān)節(jié)向后伸展 -22.5 -30 -70 膝關(guān)節(jié)向前伸展 0 0 0 膝關(guān)節(jié)向后伸展 -73.5 -80 -136 踝關(guān)節(jié)背曲 14.1 30 46 踝關(guān)節(jié)跖曲 -20.6 -30 -43 注：各關(guān)節(jié)的零度位置是：人體雙腳并立，垂直站立。 2.2.3 驅(qū)動(dòng)器的選擇 康復(fù)機(jī)器人不同于工業(yè)機(jī)器人，因?yàn)樗厥獾氖褂脠?chǎng)合和使用對(duì)象，要 求在能夠完成功能的前提下，整個(gè)康復(fù)要要安全、柔順。 本設(shè)計(jì)中的驅(qū)動(dòng)器選擇直線氣缸。因?yàn)橛蓚鹘y(tǒng)的電、液驅(qū)動(dòng)的馬達(dá)或液 壓缸驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所需能源的消耗較大?？紤]到安裝和運(yùn)動(dòng)的方便，采用 圓形氣缸。 2.2.4 關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的選擇 各個(gè)關(guān)節(jié)均為旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。滾動(dòng)軸承傳動(dòng)有摩擦阻力小，功率消耗少，啟 動(dòng)容易等優(yōu)點(diǎn)，可以充分利用氣缸所作的功，減小機(jī)構(gòu)體積。 2.2.5 連桿結(jié)構(gòu)的選擇 作為下肢大小腿的連桿機(jī)構(gòu)既是傳動(dòng)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(huì)導(dǎo)致兩者髖關(guān)節(jié)軸線、膝關(guān)節(jié)軸線和踝關(guān)節(jié)軸線不同軸，這會(huì)直接導(dǎo)致兩 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 15 者在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)中出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)干涉現(xiàn)象，兩者偏差較大時(shí)，整個(gè)人一機(jī)混合系統(tǒng) 將無法正常工作。因此，在進(jìn)行大、小腿機(jī)械連桿設(shè)計(jì)時(shí)，把連桿設(shè)計(jì)成長 度可調(diào)節(jié)的結(jié)構(gòu)體尤為重要。其優(yōu)點(diǎn):①可避免出現(xiàn)實(shí)驗(yàn)對(duì)象單一化，擴(kuò)大 使用對(duì)象;②有利于關(guān)節(jié)同軸度的調(diào)整，避免運(yùn)動(dòng)干涉現(xiàn)象。 連桿設(shè)計(jì)時(shí)，要注意以下問題: 1)承載能力。連桿不僅是傳動(dòng)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(shí)驗(yàn)對(duì)象(人體下肢各段)的重量。 2)剛度。為防止連桿在運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生過大的變形，從而影響到機(jī)器 人的定位精度，因此，剛度必須滿足要求。 3)重量輕、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小。為提高機(jī)器人的反應(yīng)速度、降低能耗和節(jié)省材 料，要盡量減少其自身特別是運(yùn)動(dòng)部分重量。 本設(shè)計(jì)中連桿結(jié)構(gòu)采用內(nèi)外桿結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 腰部結(jié)構(gòu)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(duì)機(jī)械骸關(guān)節(jié)進(jìn)行固定作用，另一方面在人行走過程中，當(dāng)一支人機(jī)混合 腿抬起時(shí)，即其處于擺動(dòng)期時(shí)，其機(jī)械腿的部分重量可通過鋼制腰帶轉(zhuǎn)移到 另一支處于支撐狀態(tài)的機(jī)械腿上，這樣可以部分分擔(dān)因一支腿抬起時(shí)，機(jī)械 腿自重對(duì)使用者產(chǎn)生的負(fù)重效應(yīng)。另外，由于腰帶是鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)，其直接作用 于人體的腰部會(huì)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(hù)腰帶，金屬帶與護(hù)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(jié)構(gòu)，可以考慮用鉸鏈結(jié)構(gòu)。 2.2.7 減重機(jī)構(gòu) 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(shè) 計(jì)康復(fù)系統(tǒng)時(shí)要考慮到減重機(jī)構(gòu)，在康復(fù)訓(xùn)練時(shí)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(gè)病人腿部力量 哈爾濱工程大學(xué)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)總體結(jié)構(gòu)時(shí)，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(guān)節(jié)間的連接方 式，外部框架之間的安裝，減重結(jié)構(gòu)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(jié) 本章在對(duì)康復(fù)機(jī)器人步態(tài)分析了解的基礎(chǔ)上，構(gòu)建用氣缸作驅(qū)動(dòng)器的下 肢康復(fù)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)方案。包括自由度的選擇，基本參數(shù)的選取，驅(qū)動(dòng)器的 選擇，關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的選擇，連桿結(jié)構(gòu)的選擇，腰部結(jié)構(gòu)的選擇，減重結(jié)構(gòu)的選 擇，整個(gè)機(jī)構(gòu)的裝配特性、工藝特性的考慮。在后面的章節(jié)中將具體進(jìn)行具 體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)件的選型、非標(biāo)準(zhǔn)件的設(shè)計(jì)、氣缸的選型計(jì)算等。 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 17 第 3 章 機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與計(jì)算及驅(qū)動(dòng)元件選型 本章設(shè)計(jì)了康復(fù)機(jī)器人機(jī)械部分的結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)元件的選型，對(duì)機(jī)械下肢 的運(yùn)動(dòng)學(xué)部分進(jìn)行分析。 3.1 人體參數(shù) 本設(shè)計(jì)的機(jī)械部分是要與人體下肢接觸的，它的關(guān)節(jié)、腿長等的設(shè)計(jì)要 借鑒人體下肢的一些參數(shù)，在零件的選擇和校核計(jì)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(jì)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?yàn)楸驹O(shè)計(jì)是要帶動(dòng)人的下肢進(jìn)行關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的，所以機(jī)器人下肢的 旋轉(zhuǎn)角度和運(yùn)動(dòng)靈活性也要和人行走時(shí)的下肢接近。考慮到本設(shè)計(jì)的使用對(duì) 象是有運(yùn)動(dòng)功能障礙的患者，所以確定各旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)為：髖關(guān)節(jié)向前伸展 范圍為45 ，向后伸展為 30 ；膝關(guān)節(jié)屈伸范圍為 80 ；踝關(guān)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(shí) 關(guān)節(jié)活動(dòng)角度數(shù)據(jù)而定的。 3.2 各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 本設(shè)計(jì)中的關(guān)節(jié)均為旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，它由上下桿件和兩塊關(guān)節(jié)連接板，軸承 及軸承蓋和傳感器組成。具體結(jié)構(gòu)見裝配圖。 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 18 3.2.1 踝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 圖 3.1 所示為下肢踝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)學(xué)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(guān)節(jié)中心到氣 缸活塞桿接頭關(guān)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(guān)節(jié)中心 O 點(diǎn)到 L 的距離，θ 為關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)過的角度。 圖3.1 踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)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(jì)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(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 圖3.2 所示為下肢膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)學(xué)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(guān)節(jié)中心水平方向上的的距離，L 3是關(guān)節(jié) 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 19 中心到氣缸活塞桿接頭關(guān)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(guān)節(jié)中心到L的距離，θ為關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)過的角度。 圖3.2 膝關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)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(jì)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(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 圖3.3 所示為下肢髖關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)學(xué)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(guān)節(jié)中心水平方向上的的距離，L 3是關(guān)節(jié) 中心到氣缸活塞桿接頭關(guān)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(guān)節(jié)中心到L的距離，θ為關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)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(jì)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(xué)本科生畢業(yè)論文 20 圖3.3 髖關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型 3.3 關(guān)節(jié)力矩分析 由于本設(shè)計(jì)的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分的作的是低速運(yùn)動(dòng)，所以零件的選擇從靜力 學(xué)角度分析和計(jì)算。 圖3.4 力矩分析示意圖 其中： 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 21 、 、 ―分別為髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度，以 軸正方1?23 x 向?yàn)槌跏嘉恢茫瑘D中所示角度的轉(zhuǎn)向?yàn)檎?、 ―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(yīng)關(guān)節(jié)的距離。1l2l 根據(jù)力矩方程 （3.2）TFl?? 得到各關(guān)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(jī)械結(jié)構(gòu)總質(zhì)量。1m23 在下面的計(jì)算過程中，力矩 的計(jì)算式均是按式（3.3）、（3.4）、T （3.5）的原理計(jì)算的，所不同的是，下面的計(jì)算均取的是極限位置，即各 關(guān)節(jié)受到最大力矩的位置。 3.4 具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.4.1 關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的選擇 各個(gè)關(guān)節(jié)均為旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖 3.5 所示。滾動(dòng)軸承傳動(dòng)有摩擦 阻力小，功率消耗少，啟動(dòng)容易等優(yōu)點(diǎn)，可以充分利用氣缸所作的功，減小 機(jī)構(gòu)體積。通過關(guān)節(jié)連接板將關(guān)節(jié)的兩個(gè)桿件連接在一起，而且整個(gè)機(jī)構(gòu)零 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 22 件分散，零件個(gè)體小，可以使整個(gè)關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)輕便小巧、安全。 圖3.5 關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)圖 3.4.2 連桿結(jié)構(gòu)的選擇 作為下肢大小腿的連桿機(jī)構(gòu)既是傳動(dòng)裝置又是執(zhí)行裝置。連桿的長度精 度要求較高，本設(shè)計(jì)中連桿結(jié)構(gòu)采用內(nèi)外桿結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，圖 3.7 為大腿的結(jié)構(gòu)。 圖 3.6 小腿的結(jié)構(gòu) 圖 3.7 大腿的結(jié)構(gòu) 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 23 3.4.3 腰部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 腰部結(jié)構(gòu)主要為患者腰部提供支持和下肢與框架的鏈接。為適應(yīng)不同腰 圍患者的需求，腰部結(jié)構(gòu)中有鉸鏈調(diào)整結(jié)構(gòu)，可以調(diào)整腰圍大小。同時(shí)為了 適應(yīng)人體行走時(shí)骨盆上下運(yùn)動(dòng)，腰部結(jié)構(gòu)中有可以轉(zhuǎn)動(dòng)的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)。如圖 3.8 是實(shí)體效果圖。 圖 3.8 腰部實(shí)體效果圖 3.4.4 減重機(jī)構(gòu) 減重機(jī)構(gòu)如圖 3.9 所示，它由滑車內(nèi)的氣缸帶動(dòng)安全帶上下運(yùn)動(dòng)，安全 帶上的力傳感器檢測(cè)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(jī)構(gòu)起到恒力減重作用。 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 24 圖 3.9 減重機(jī)構(gòu)圖 3.4.5 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)總體結(jié)構(gòu)時(shí)，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(shí)體效果圖。 圖 3.10 Pro-E 實(shí)體效果圖 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 25 3.5 一些零件的設(shè)計(jì)和校核 3.5.1 軸承的選擇及校核 本設(shè)計(jì)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(dòng)載荷C=13.2kN ，預(yù)期壽命L=500 小時(shí)。最大當(dāng)量動(dòng)載荷 P=600N，壽命指數(shù) ε=3，轉(zhuǎn)速n=60r/min,軸承基本額定壽命L h（單位為小時(shí)) 為 LPCh ?????????66102n01? 所選軸承6000符合要求 3.5.2 氣缸的選擇 本設(shè)計(jì)中用到的氣缸是根據(jù)德國Festo公司提供的型號(hào)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(dòng)式單耳環(huán)氣缸。 3.作用力大小 負(fù)載力F，負(fù)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(jī)。 空氣壓縮機(jī)按工作原理分為三類：活塞式、螺桿式和透平式。本設(shè)計(jì)的 場(chǎng)合是醫(yī)院、康復(fù)中心、家庭等，要求空氣壓縮機(jī)的振動(dòng)和噪聲要小。螺桿 式空壓機(jī)的脈動(dòng)小，振動(dòng)小，噪音小，符合本設(shè)計(jì)的要求，所以選擇螺桿式 空氣壓縮機(jī)。 （1）空氣壓縮機(jī)的輸出壓力 ｐ a （4.1）pp???? 式中 ｐ a —— 空壓機(jī)的輸出壓力，MPa； p ——?dú)鈩?dòng)元件的最高使用壓力，MPa； ——啟動(dòng)系統(tǒng)的總壓力損失，MPa。?? 本設(shè)計(jì)中 ｐ =0.6MPa， =0.15~0.2MPa，由公式（ 4.1）可得：?p ｐ a=0.75~0.8MPa （2）空氣壓縮機(jī)的吸入流量q a （4.2）bakq? 式中q a —— 空壓機(jī)的吸入流量，m 3/min (ANR)； qb ——?dú)鈩?dòng)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(shè)計(jì)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(jī)的功率P 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 34 ?????????????????????106.11KnapqKnP （4.3） 式中P ——空壓機(jī)的功率，kW； p1 ——吸入空氣的絕對(duì)壓力，MPa； K — —等熵指數(shù)，K =1.4； pa ——輸出空氣的絕對(duì)壓力，MPa； qa ——空壓機(jī)的吸入流量，m 3/min (ANR)； n ——中間冷卻器個(gè)數(shù)。 本設(shè)計(jì)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(jī)型號(hào)為：德國BOGE公司的微油螺桿式空壓機(jī) CL3， 排氣量：231L/MIN， 工作壓力：8BAR ， 馬達(dá)功率：2.2KW ， 2、后冷卻器 從空壓機(jī)中輸出的壓縮空氣溫度可達(dá)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(dòng)設(shè)備，將會(huì)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(fēng)冷式（HAA系列）和水冷式（HAW系列）兩種。風(fēng)冷 式它是靠風(fēng)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(yùn)轉(zhuǎn)成本低，適用于進(jìn)口空氣溫度低于 100 ，處理空氣量較少的場(chǎng)合。風(fēng)冷式的這些特點(diǎn)很適合本設(shè)計(jì)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(xué)本科生畢業(yè)論文 35 表4.1 風(fēng)冷式后冷卻器（HAA22）的技術(shù)參數(shù) 額定流量 （L/min） 最高使用壓力 （MPa） 適用壓縮機(jī)功 率（kW） 進(jìn)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(jī)后，先經(jīng)過主管道到各支管管道，在主管道中設(shè)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(shè)計(jì)選用SMC公司AFF系列中的AFF22B型號(hào)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(dòng)回路在充排氣過程中，元件內(nèi)部存在高速流動(dòng)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(huì)冷凝成水滴，這對(duì)氣動(dòng)元件 的工作產(chǎn)生不利的影響，所以需要干燥器來進(jìn)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(shè)計(jì) 選用高分子隔膜式干燥器（IDG系列）。這種干燥器的特點(diǎn)是：體積小、重 量輕、無需排水器，帶露點(diǎn)顯示器，不用氟利昂，不用電源，無震動(dòng)，無排 熱，使用壽命長，安裝方便，除水率高等。符合本設(shè)計(jì)的要求，所以本設(shè)計(jì) 哈爾濱工程大學(xué)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(hào)，它的主要參數(shù)如表 4.3。 表4.3 IDG-H的技術(shù)參數(shù) 進(jìn)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(diǎn)（ ）C? 0.3 1.0: -5 50: 25 1000: 3 110: -40 5、氣罐 氣罐的作用主要是：消除壓力脈動(dòng)；依靠絕熱膨脹及自然冷卻降溫，進(jìn) 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(shí)間內(nèi)用氣量大于壓縮機(jī)輸出氣量的矛盾，另一方面可在空氣壓縮機(jī)出 現(xiàn)故障時(shí)，維持短時(shí)間供氣，以便采取措施保證氣動(dòng)設(shè)備的安全。 這里估算氣罐的容積V ??21max60PtqV?? （4.4） 式中： ―氣動(dòng)系統(tǒng)的最大耗氣量，單位：L/min；maxq ―氣動(dòng)系統(tǒng)允許的最低工作壓力，單位：MPa；2P ―突然停電時(shí)，氣罐內(nèi)的壓力，單位：MPa；1p ―大氣壓力，取 MPa；a 0.1ap? ―停電后，應(yīng)維持氣動(dòng)系統(tǒng)正常工作時(shí)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(hào)，技術(shù)參數(shù)見表 5.4。 表4.4 AT6C的技術(shù)參數(shù) 適用空壓機(jī)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(xué)本科生畢業(yè)論文 37 5.5 100 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(shí)或氣動(dòng)系統(tǒng)出現(xiàn)問題時(shí)，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(shí)，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(yáng)中市華威電力設(shè)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(huì)加速氣動(dòng)元件的損壞。? 本設(shè)計(jì)中采用SMC公司的 AM550的除油器，技術(shù)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(shè)計(jì)的使用采用SMC 公司的AMF系列除臭器，其技術(shù)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(jìn)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(hào)為SMC公司的AF-60的 空氣過濾器。 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 38 10、減壓閥 減壓閥是出口側(cè)壓力可調(diào)（但低于進(jìn)口側(cè)壓力），并能保持出口側(cè)壓力 穩(wěn)定的壓力控制閥。它的作用是將較高的進(jìn)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(dòng)式減壓閥和先導(dǎo)式減壓閥兩種，經(jīng)比較選 用先導(dǎo)式減壓閥，因?yàn)樗{(diào)壓時(shí)操作輕便，流量特性好，穩(wěn)壓精度高，壓力 特性好。本設(shè)計(jì)對(duì)設(shè)備的安全性要求較高，所以選了SMC公司的外部先導(dǎo) 式精密型減壓閥(IR3120) ，它的主要技術(shù)參數(shù)如表4.7。 表4.7 IR3120的技術(shù)參數(shù) 最高進(jìn)口壓力 （MPa） 最低進(jìn)口壓力 （MPa） 調(diào)壓范圍 （MPa） 控制壓力 （MPa） 重復(fù)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(cè)定并顯示氣動(dòng)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(hào)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?yàn)閴嚎s空氣流量和速度的變化，引起振動(dòng)，便 產(chǎn)生了強(qiáng)烈的排氣噪聲。噪聲會(huì)損害人的聽覺，影響鍵康。本設(shè)計(jì)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(hào)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(shí)現(xiàn)輸出流量進(jìn)行比例控制。它的特點(diǎn)是：能 實(shí)現(xiàn)程序控制、實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化；能實(shí)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(huì)發(fā)生火災(zāi)、不污染環(huán)境、安全性高。這些特點(diǎn)很符合 本設(shè)計(jì)的使用要求。 結(jié)合本設(shè)計(jì)要求，選擇SMC 公司的先導(dǎo)式壓力型電氣比例閥中的 VEF型 號(hào)，參數(shù)見表4.8。 哈爾濱工程大學(xué)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(dòng)式電磁換向閥 直動(dòng)式電磁換向閥結(jié)構(gòu)簡單，切換速度快，符合本設(shè)計(jì)的要求。選用德 國 Festo 公司的 JMEH-4/2 電磁閥。 4.2 康復(fù)機(jī)器人的訓(xùn)練方式 下肢功能性康復(fù)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(dá)到患者的要求，另一種方式是由器械來完成訓(xùn)練工作，可以在恒定低速 狀態(tài)下對(duì)患肢進(jìn)行重復(fù)訓(xùn)練。下面介紹兩種常用的物理療法。 （1）主動(dòng)方式 患者主動(dòng)運(yùn)動(dòng)，機(jī)械下肢提供一定的阻力。機(jī)器的速度與患者的運(yùn)動(dòng)速 度之間是恒定的比例關(guān)系，通過調(diào)節(jié)比例關(guān)系可以調(diào)整訓(xùn)練強(qiáng)度，機(jī)器的運(yùn) 動(dòng)滯后于患者的運(yùn)動(dòng)。這種運(yùn)動(dòng)方式主要是用于鞏固階段的患者，或健身人 員。 （2）被動(dòng)方式 機(jī)器人帶動(dòng)患肢以設(shè)定的運(yùn)動(dòng)方式運(yùn)動(dòng)，不考慮患肢的阻力，通過重復(fù) 訓(xùn)練達(dá)到恢復(fù)和保持肢體運(yùn)動(dòng)功能的目的。這種運(yùn)動(dòng)方式用于康復(fù)階段的患 者，運(yùn)動(dòng)速度較低。 本設(shè)計(jì)的主要使用者是下肢有運(yùn)動(dòng)功能障礙的病人和老人，采用被動(dòng)方 式來恢復(fù)或保持他們下肢的運(yùn)動(dòng)功能，也可以采用主動(dòng)方式來鞏固和加強(qiáng)他 們下肢的運(yùn)動(dòng)功能。本機(jī)器人采用不同的控制方法可以實(shí)現(xiàn)主動(dòng)或被動(dòng)方式， 康復(fù)訓(xùn)練時(shí)選擇其中一種即可。 4.3 氣動(dòng)自動(dòng)控制方框圖 哈爾濱工程大學(xué)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，還需要由單片 機(jī)或計(jì)算機(jī)執(zhí)行的控制系統(tǒng)。如圖4.2中，是下肢自動(dòng)控制系統(tǒng)的功能方框 圖，反饋信息為髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的實(shí)際旋轉(zhuǎn)角度 ，經(jīng)與給定的角? 度 相比較形成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)。當(dāng)實(shí)際旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié) 超出給定角度值 時(shí)，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(yùn)動(dòng)速度，改變旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的角度，使其在按給定的運(yùn)動(dòng)方式運(yùn)動(dòng)。 如圖4.3中，是減重部分的控制自動(dòng)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(gè)閉環(huán)系統(tǒng)。當(dāng)拉力超出 給定值F時(shí)，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(dòng)自動(dòng)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(xué)本科生畢業(yè)論文 41 4.4 本章小結(jié) 本章主要介紹了供氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，氣動(dòng)元件的選取過程。介紹了機(jī) 器人的訓(xùn)練方式和控制的功能，為進(jìn)一步完成自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了理 論基礎(chǔ)。 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 42 結(jié) 論 本論文是在綜述了目前國內(nèi)外康復(fù)機(jī)器人的研究和應(yīng)用的基礎(chǔ)上，結(jié)合 發(fā)展方向，針對(duì)康復(fù)訓(xùn)練的功能，具體闡述了一個(gè)基于步態(tài)控制的下肢康復(fù) 機(jī)器人的設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)的主要工作是設(shè)計(jì)出一個(gè)下肢有六個(gè)自由度（下肢每 一條腿有3個(gè)自由度）的康復(fù)機(jī)器人及其相應(yīng)的框架和減重機(jī)構(gòu)（一個(gè)自由 度），然后綁在人腰部和下肢上，分別帶動(dòng)髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)， 從而訓(xùn)練相應(yīng)部位的肌肉，幫助使用者恢復(fù)下肢的運(yùn)動(dòng)功能，它由減重機(jī)構(gòu)、 姿態(tài)控制機(jī)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)平板等組成。本文主要完成了以下工作： 1.根據(jù)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的應(yīng)用對(duì)象、使用環(huán)境及技術(shù)指標(biāo)的要求，結(jié)合 人體工程學(xué)的基本知識(shí)和康復(fù)醫(yī)學(xué)的基本理論，確定系統(tǒng)的總體方案，采用 三個(gè)自由度分別實(shí)現(xiàn)單邊髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)及踝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練，總共采用7 個(gè)自由度。 2.結(jié)合康復(fù)器械的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，比較多種驅(qū)動(dòng)器的利弊，選用氣缸作為康 復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)器。選擇氣缸的型號(hào)，進(jìn)行所需行程的計(jì)算。 3.進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算。根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)的基本理論和方法，選擇能完成 機(jī)械運(yùn)動(dòng)的合適的零件，設(shè)計(jì)計(jì)算零件的型號(hào)和尺寸?？紤]制作工藝性和裝 配工藝性，設(shè)計(jì)連接件的結(jié)構(gòu)，如關(guān)節(jié)，用于關(guān)節(jié)間連接的支架，下肢的伸 縮桿結(jié)構(gòu)等零件。 4.針對(duì)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式和應(yīng)用場(chǎng)合，對(duì)供氣系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并初步 分析了控制系統(tǒng)的基本組成和機(jī)器人的運(yùn)行方式。 設(shè)計(jì)出的康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人能夠完成一定的康復(fù)訓(xùn)練工作，但要完全實(shí)現(xiàn) 自動(dòng)化控制，提高機(jī)器人的柔順性，還需要開展如下的研究工作：(1)進(jìn)一 步研究氣缸及其驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)的動(dòng)態(tài)模型；(2)研究氣缸閉環(huán)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)， 進(jìn)一步提高系統(tǒng)的柔順性。(3)進(jìn)一步優(yōu)化關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)和桿件結(jié)構(gòu)。 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 43 參考文獻(xiàn) [1] 張付祥，付宜利，王樹國．康復(fù)機(jī)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(fù)機(jī)器人研究現(xiàn)狀[J]．中國康復(fù)醫(yī)學(xué)雜 志，2003，18（5）：293-294． [3] Hogan N，Krebs I，Charnnarong J，Srikrishna P，Sharon A．MIT- MANUS：A Workstation for Manual and Training [J]．IEEE International Workshop on Robot and Human Communication，1992 ：161 –165． [4] Rehabilitation Center of DRMC.http://www.drmc.org/rehab.php，2008- 06-12. 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