3003康復(fù)機(jī)器人的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　第1章　緒論</b></p><p><b>　　1.1　概述</b></p><p>　　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

2、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(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)動障礙。隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，這個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)

3、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)器人的市場占有率呈逐年上升的趨勢，僅預(yù)測日本未來機(jī)器人市場，2005年醫(yī)療、護(hù)理、康復(fù)機(jī)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(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[</p><p>　　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

4、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)不能滿足市場對智能化、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。</p><p>　　由于康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人要與人體直接相連，來帶動肢體進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，所以對驅(qū)動器的安全性、柔性的要求較高。近年來，以氣動元件柔性驅(qū)動器逐漸引起人們的重視，在醫(yī)療康復(fù)器械

5、領(lǐng)域中得到越來越多的應(yīng)用。</p><p>　　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。</p><p>　　1.2　康復(fù)機(jī)器人的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀</p><p>　　在對有運(yùn)動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

6、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(dú)立生活能力，提高了病人的生活質(zhì)量等。康復(fù)機(jī)器人是一種自動化醫(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，也帶動了相關(guān)領(lǐng)域的新技術(shù)和新理論的發(fā)展。

7、</p><p>　　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)動有困難的患者完成各種動作，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?？祻?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)動訓(xùn)練、脊椎運(yùn)動訓(xùn)練等。</p><p>　　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

8、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值的成果。對于中風(fēng)、偏癱、下肢運(yùn)動機(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)動訓(xùn)練，此

9、種產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜，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，只能是一種半自動的康復(fù)訓(xùn)練機(jī)械，如圖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)械對下肢病情比較輕的病人較合適。</p><p>　　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

10、]</p><p>　　隨著機(jī)器人技術(shù)和康復(fù)醫(yī)學(xué)的發(fā)展，人們對人的行走步態(tài)有了比較清楚的認(rèn)識，開發(fā)出了一些符合人體康復(fù)需要的產(chǎn)品。</p><p>　　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)。</p><p>　　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)

11、、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(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)和跑臺組成。LOKOMAT機(jī)器人以使用者為根本，通過對機(jī)器人的行為、耐心、合作及運(yùn)動功能進(jìn)行評估,建立了一種更為有效的治療方式，即：機(jī)器人先偵測使用者的運(yùn)動，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，通過機(jī)器人的自適應(yīng)功能，來滿足使用者的不同

12、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]。 </p><p>　　圖1.3　MGT型康復(fù)機(jī)器人 圖1.4　LOKOMAT機(jī)器人 </p><p>　　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(shí)現(xiàn)步態(tài)的軌跡模擬，這個腳踏板由直線電機(jī)帶動實(shí)現(xiàn)往復(fù)直線運(yùn)動，腳踏板支撐部分類似于二自

13、由度機(jī)械臂，由兩個伺服電機(jī)驅(qū)動[7](圖1.5）。</p><p>　　圖1.5　robotic gait rehabilitation 系統(tǒng)在試驗(yàn)中</p><p>　　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(shè)備等，這種機(jī)器人除了

14、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）。</p><p>　　圖1.6　BLEEX</p><p>　　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，是自動化機(jī)器人腿：“混合輔助腿”。這種裝置能幫助殘疾人以每小

15、時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)動狀況，通過復(fù)雜的氣壓傳動裝置增加人的力量。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。現(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。</p&

16、gt;<p>　　圖1.7　HAL機(jī)器人</p><p>　　圖1.8　Power Assist Suit</p><p>　　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(xué)模型模擬的感覺運(yùn)動障礙。圖1.9為NPH的機(jī)器人在實(shí)驗(yàn)中。</p><p>　　

17、圖1.9　NPH的機(jī)器人在進(jìn)行試驗(yàn)</p><p>　　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)用前景將推動康復(fù)機(jī)器人技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。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。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的成果。哈爾濱

18、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)動姿態(tài)以及重心的運(yùn)動規(guī)律，帶動下肢做行走運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)對下肢各個關(guān)節(jié)的運(yùn)動訓(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)動關(guān)系，使之與人體運(yùn)動狀態(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

19、]。</p><p>　　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</p><p>　　1.3　本課題主要研究內(nèi)容</p><p>　　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

20、、柔順性，同時進(jìn)行了氣動控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。課題內(nèi)容主要包括：</p><p>　　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。</p><p>　　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)。</p><p>　　3.機(jī)器人驅(qū)動器的供氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。</p>

21、<p>　　第2章　總體方案設(shè)計(jì)與選擇的論證</p><p><b>　　2.1　步態(tài)分析</b></p><p>　　下肢康復(fù)機(jī)器人是對有腦損傷、中風(fēng)等病人進(jìn)行主動康復(fù)訓(xùn)練的自動化機(jī)械裝置。它可以幫助患者進(jìn)行運(yùn)動機(jī)能恢復(fù)性訓(xùn)練，進(jìn)行主動式步態(tài)訓(xùn)練。</p><p>　　正常人在行走時腳在一個步態(tài)周期內(nèi)的運(yùn)動情況如圖2.1所示[1

22、2]。</p><p><b>　　圖2.1　步態(tài)周期</b></p><p>　　1個步行周期分為兩個時期，支撐期和擺動期。支撐期是當(dāng)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(jìn)入支撐期，足趾離地進(jìn)入擺動期。支撐期占步行周期62%(其中單側(cè)肢體支撐期占37%，雙側(cè)肢體支撐期占25%)，擺動期占步行周

23、期的38%。雙側(cè)肢體支撐期中包括預(yù)承重期和擺動前期，各占步行周期12%。各時期劃分及有關(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)肢體支撐體重的時期，又分為被測下肢在前的“前足著地雙足支撐期”(預(yù)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(yù)承重期是從被側(cè)足足跟著地至對側(cè)足趾離地的時期;擺動前期是從對側(cè)足足跟著地至被側(cè)足足趾離地的時期。一側(cè)足的預(yù)承重期即為對側(cè)足的擺動前期。</p>&l

24、t;p>　　(2)單側(cè)肢體支撐期。僅由被測足承擔(dān)體重的時期，即從對側(cè)足足趾離地至對</p><p>　　側(cè)足足跟著地的時期，也是對側(cè)肢體擺動期。(3)擺動期。被測足不接觸地面</p><p>　　的時期，即從被測足足趾離地至同側(cè)足跟著地的時期，也是對單側(cè)肢體支撐</p><p><b>　　期。</b></p><p&

25、gt;　　步態(tài)各重要階段動作:</p><p>　　(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；</p><p>　　(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；</p><p>　　(3)支撐段中期:當(dāng)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

26、支撐段中期；</p><p>　　(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；</p><p>　　(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(yù)先擺動；</p><p>　　(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。<

27、/p><p>　　在一個步態(tài)周期的各個時間點(diǎn)，各個關(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75kg的人以1.3m/s的步行速度在平地上走時，髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)三處關(guān)節(jié)在一個步行周期內(nèi)不同階段的轉(zhuǎn)角和力矩變化[13][14][15]。</p><p>　　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</p><p&g

28、t;　　由圖2.2、2.3可知步行時踝關(guān)節(jié)處力矩的最大值為-120N，角度范圍為-20～15。</p><p>　　由圖2.4、2.5可知步行時踝關(guān)節(jié)處力矩的最大值為60N，角度范圍為-70～0。</p><p>　　由圖2.6、2.7可知步行時踝關(guān)節(jié)處力矩的最大值為-80N，角度范圍為-20～30。</p><p>　　為了模擬人體行走的正常步態(tài)，更科學(xué)合理有效的

29、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（角度、力矩）和人體行走時關(guān)節(jié)的運(yùn)動（角度、力矩）應(yīng)該近似。為本設(shè)計(jì)就是根據(jù)這個原則進(jìn)行設(shè)計(jì)的。</p><p>　　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</p><p>　　圖2.6 髖關(guān)節(jié)角度變化 圖2.7 髖關(guān)節(jié)力矩變化</p><p><

30、b>　　2.2　方案的選擇</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)的主要工作是設(shè)計(jì)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(fù)機(jī)器人及其相應(yīng)的框架和減重機(jī)構(gòu)（一個自由度），然后綁在人腰部和下肢上，分別帶動髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的運(yùn)動，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)動平板等組成。</p><p&g

31、t;　　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。減重機(jī)構(gòu)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(qū)動。</p><p>　　運(yùn)動平板通過電機(jī)驅(qū)動，能調(diào)節(jié)速度，使適應(yīng)人體行走的不同速度需要。</p><p>　　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)動的仿人體下肢帶動人體下肢運(yùn)動。關(guān)節(jié)是人體運(yùn)動的樞紐，是傳遞載荷、保持能量、協(xié)助

32、運(yùn)動的重要器官。關(guān)節(jié)長期制動，會使肌肉的破壞負(fù)最大載下降，能量儲存也會明顯減少，最終會導(dǎo)致肢體的完全癱瘓。用關(guān)節(jié)運(yùn)動來帶動肌肉進(jìn)行收縮運(yùn)動，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)中的三個主要關(guān)節(jié)。</p><p>　　關(guān)節(jié)的運(yùn)動學(xué)特征主要包括兩部分：一是關(guān)節(jié)的活動幅度，二是如何達(dá)到這個活動范圍。本設(shè)計(jì)就是根據(jù)這個原則進(jìn)行的。</p><p>　　2.2.1　自

33、由度的設(shè)計(jì)</p><p>　　人體下肢的靈活度很高，關(guān)節(jié)比較復(fù)雜。下肢運(yùn)動關(guān)節(jié)主要包括髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)3個部分。髖關(guān)節(jié)是球窩關(guān)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(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)

34、轉(zhuǎn)/外展（hip abduction/adduction）兩種活動形式。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。每一條腿有7個自由度，想要設(shè)計(jì)出一個能夠完成下肢各個關(guān)節(jié)的康復(fù)運(yùn)動的機(jī)器人非常難。考慮到有些關(guān)節(jié)運(yùn)動消耗的能量小和結(jié)合康復(fù)醫(yī)學(xué)的相關(guān)知識，確定3個自由度

35、：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)有兩條腿和一個減重機(jī)構(gòu)共7個自由度。</p><p>　　2.2.2　基本參數(shù)的選取</p><p>　　下肢康復(fù)機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)和人體的運(yùn)動學(xué)相近，因此人體下肢關(guān)節(jié)的運(yùn)動范圍決定了下至康復(fù)機(jī)器人的關(guān)節(jié)運(yùn)動范圍。下肢康復(fù)機(jī)器人的關(guān)節(jié)運(yùn)動范圍至少要和人體行走時關(guān)節(jié)范圍一致。為了安全，機(jī)器人的關(guān)節(jié)運(yùn)動范圍一般要

36、小于人體關(guān)節(jié)運(yùn)動范圍的最大值。</p><p>　　參考人體下肢各關(guān)節(jié)的運(yùn)動角度，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。</p><p>　　表 2.1　各關(guān)節(jié)的運(yùn)動范圍（°）</p><p>　　注：各關(guān)節(jié)的零度位置是：人體雙腳并立，垂直站立。</p><p>　　2.2.3　驅(qū)動器

37、的選擇</p><p>　　康復(fù)機(jī)器人不同于工業(yè)機(jī)器人，因?yàn)樗厥獾氖褂脠龊虾褪褂脤ο螅笤谀軌蛲瓿晒δ艿那疤嵯拢麄€康復(fù)要要安全、柔順。</p><p>　　本設(shè)計(jì)中的驅(qū)動器選擇直線氣缸。因?yàn)橛蓚鹘y(tǒng)的電、液驅(qū)動的馬達(dá)或液壓缸驅(qū)動結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所需能源的消耗較大?？紤]到安裝和運(yùn)動的方便，采用圓形氣缸。</p><p>　　2.2.4　關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的選擇</p>

38、<p>　　各個關(guān)節(jié)均為旋轉(zhuǎn)關(guān)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(diǎn)，可以充分利用氣缸所作的功，減小機(jī)構(gòu)體積。</p><p>　　2.2.5　連桿結(jié)構(gòu)的選擇</p><p>　　作為下肢大小腿的連桿機(jī)構(gòu)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(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，

39、這會直接導(dǎo)致兩者在運(yùn)動狀態(tài)中出現(xiàn)運(yùn)動干涉現(xiàn)象，兩者偏差較大時，整個人一機(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，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)對象單一化，擴(kuò)大使用對象;②有利于關(guān)節(jié)同軸度的調(diào)整，避免運(yùn)動干涉現(xiàn)象。</p><p>　　連桿設(shè)計(jì)時，要注意以下問題:</p><p>　　1)承載能力。連桿不僅是傳動裝置，而且也是執(zhí)行裝置，要

40、考慮連桿自身重量、氣缸的重量和實(shí)驗(yàn)對象(人體下肢各段)的重量。</p><p>　　2)剛度。為防止連桿在運(yùn)動過程中產(chǎn)生過大的變形，從而影響到機(jī)器</p><p>　　人的定位精度，因此，剛度必須滿足要求。</p><p>　　3)重量輕、轉(zhuǎn)動慣量小。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)動部分重量。</p><p&

41、gt;　　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）。</p><p>　　2.2.6　腰部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</p><p>　　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，即其處于擺動期時，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

42、，這樣可以部分分擔(dān)因一支腿抬起時，機(jī)械腿自重對使用者產(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)。</p><p>　　2.2.7　減重機(jī)構(gòu)</p><p>　　下肢殘疾病人的下肢力量往往不能給

43、正常步行提供足夠的力，所以在設(shè)計(jì)康復(fù)系統(tǒng)時要考慮到減重機(jī)構(gòu)，在康復(fù)訓(xùn)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?？紤]到各個病人腿部力量的不同，減重比例要可以調(diào)節(jié)，要從0～100%。</p><p>　　2.2.8　整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</p><p>　　設(shè)計(jì)總體結(jié)構(gòu)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(guān)

44、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。</p><p>　　具體裝配方式見總體裝配圖。</p><p><b>　　2.3　本章總結(jié)</b></p><p>　　本章在對康復(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)動器的選擇，關(guān)節(jié)

45、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。</p><p>　　第3章　機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與計(jì)算及驅(qū)動元件選型</p><p>　　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)動元件的選型，對機(jī)械下肢的運(yùn)動學(xué)部分進(jìn)行分析。</p><p&g

46、t;<b>　　3.1　人體參數(shù)</b></p><p>　　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。</p><p>　　表3.1　中國青年幾何統(tǒng)計(jì)表數(shù)據(jù)</p><p>　　因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)是要帶動人的下肢進(jìn)行關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的，所以機(jī)器人

47、下肢的旋轉(zhuǎn)角度和運(yùn)動靈活性也要和人行走時的下肢接近?？紤]到本設(shè)計(jì)的使用對象是有運(yùn)動功能障礙的患者，所以確定各旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)運(yùn)動為：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關(guān)節(jié)活動角度數(shù)據(jù)而定的。</p><p>　　3.2　各關(guān)節(jié)運(yùn)動學(xué)分析</p><p>　　本設(shè)計(jì)中的關(guān)節(jié)均為旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)

48、，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。</p><p>　　3.2.1踝關(guān)節(jié)的運(yùn)動學(xué)分析</p><p>　　圖3.1　所示為下肢踝關(guān)節(jié)的運(yùn)動學(xué)模型示意圖。Ｌ2是小腿桿的一部分的長度，Ｌ1是氣缸端部安裝孔距小腿桿中心線的距離，L3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

49、的角度。</p><p>　　圖3.1　踝關(guān)節(jié)運(yùn)動學(xué)模型</p><p>　　其中L1=110，L2=313，L3=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</p><p><b>　?。?.1）</b></p><p>　

50、　計(jì)算出的L范圍為310——450，行程為140。R的最小值為110。</p><p>　　3.2.2 膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動學(xué)分析</p><p>　　圖3.2　所示為下肢膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動學(xué)模型示意圖。Ｌ2是大腿桿的一部分的長度，Ｌ1是氣缸端部安裝孔距關(guān)節(jié)中心水平方向上的的距離，L3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

51、的角度。</p><p>　　圖3.2 膝關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)模型</p><p>　　其中L1=110，L2=402，L3=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。</p><p>　　3.2.3 髖關(guān)節(jié)的運(yùn)動學(xué)分析</p><p>　　圖3.3　所

52、示為下肢髖關(guān)節(jié)的運(yùn)動學(xué)模型示意圖。Ｌ2是大腿桿的一部分的長度，Ｌ1是氣缸端部安裝孔距關(guān)節(jié)中心水平方向上的的距離，L3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。</p><p>　　其中Ｌ1=60，L2=340，L3=135，α=120°，θ的范圍為－30°— +45°。氣缸L的長度可由公式(3.1)

53、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。</p><p>　　圖3.3　髖關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)模型</p><p>　　3.3　關(guān)節(jié)力矩分析</p><p>　　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，所以零件的選擇從靜力學(xué)角度分析和計(jì)算。</p><p>　　圖3.4　力矩分析示意圖</p><

54、;p><b>　　其中：</b></p><p>　　、、―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，以軸正方向?yàn)槌跏嘉恢茫瑘D中所示角度的轉(zhuǎn)向?yàn)檎?lt;/p><p>　　、―分別為大腿和小腿的長度 </p><p>　　、、―分別為大腿、小腿和足的質(zhì)心 </p><

55、;p>　　、、―分別是大腿、小腿和足的質(zhì)心到相應(yīng)關(guān)節(jié)的距離。</p><p><b>　　根據(jù)力矩方程</b></p><p><b>　?。?.2）</b></p><p>　　得到各關(guān)節(jié)的力矩方程分別為</p><p><b>　　（3.3）</b></p>

56、;<p><b>　?。?.4）</b></p><p><b>　　（3.5）</b></p><p>　　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。 </p><p>　　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）、（3.5）的原理計(jì)算的，所不同的是，下面的計(jì)算均取的

57、是極限位置，即各關(guān)節(jié)受到最大力矩的位置。</p><p>　　3.4　具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</p><p>　　3.4.1　關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的選擇</p><p>　　各個關(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。滾動軸承傳動有摩擦阻力小，功率消耗少，啟動容易等優(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)的兩個桿件連接在一起，而且整個機(jī)構(gòu)零件分散，零件個體小，

58、可以使整個關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)輕便小巧、安全。</p><p>　　圖3.5　關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　3.4.2　連桿結(jié)構(gòu)的選擇</p><p>　　作為下肢大小腿的連桿機(jī)構(gòu)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(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）。</p><p>　　如圖3.6為

59、小腿的結(jié)構(gòu)，圖3.7為大腿的結(jié)構(gòu)。</p><p>　　圖3.6　小腿的結(jié)構(gòu) 圖3.7　大腿的結(jié)構(gòu)</p><p>　　3.4.3　腰部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</p><p>　　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。同時為了適應(yīng)人體行走時骨盆上下運(yùn)動，腰部結(jié)構(gòu)中有可以轉(zhuǎn)動的關(guān)節(jié)結(jié)

60、構(gòu)。如圖3.8是實(shí)體效果圖。</p><p>　　圖3.8腰部實(shí)體效果圖</p><p>　　3.4.4　減重機(jī)構(gòu)</p><p>　　減重機(jī)構(gòu)如圖3.9所示，它由滑車內(nèi)的氣缸帶動安全帶上下運(yùn)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(jī)構(gòu)起到恒力減重作用。</p><p>　

61、　圖3.9　減重機(jī)構(gòu)圖</p><p>　　3.4.5　整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</p><p>　　設(shè)計(jì)總體結(jié)構(gòu)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(shí)體效果圖。</p><p>　　3.5　一些零件的設(shè)計(jì)和校核</p><p>　　3.5.1　軸承的選擇及校核</p><p>　

62、　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載荷C=13.2kN，預(yù)期壽命L=500小時。最大當(dāng)量動載荷P=600N，壽命指數(shù)ε=3，轉(zhuǎn)速n=60r/min,軸承基本額定壽命Lh（單位為小時)為</p><p>　　所選軸承6000符合要求</p><p>　　3.5.2氣缸的選擇 </p><p>　　本設(shè)計(jì)中用到的氣缸是根據(jù)德國

63、Festo公司提供的型號選用的，</p><p><b>　　類型</b></p><p>　　根據(jù)工作要求和條件，選擇雙作用單耳環(huán)氣缸。</p><p><b>　　安裝方式</b></p><p>　　根據(jù)工作條件，選擇擺動式單耳環(huán)氣缸。</p><p><b>

64、;　　作用力大小</b></p><p>　　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，</p><p>　　氣體壓力P=0.6MPa，</p><p>　　由公式 F拉= （3.6）</p><p>　　和F推=

65、 （3.7）</p><p>　　由于F拉<F推，T=F×R（其中R為力臂），在氣缸輸出力計(jì)算時，選擇F拉為代表計(jì)算即可。</p><p><b>　　活塞行程</b></p><p>　　汽缸的行程由3.2節(jié)各個關(guān)節(jié)運(yùn)動學(xué)分析和氣缸的行程要小于它的最大行程決定。</p&

66、gt;<p><b>　　汽缸型號選擇</b></p><p><b>　　踝關(guān)節(jié)氣缸的選擇</b></p><p>　　關(guān)節(jié)力矩最大值為Tmax=120 Nm，取d=0.3D，可得氣缸缸徑為D=63 mm，行程為160 mm，氣缸型號為DNG-63-160-PPV-A，氣缸如圖3.11所示。</p><p>

67、;　　圖3.11　DNG-63-160-PPV-A氣缸</p><p><b>　　膝關(guān)節(jié)氣缸的選擇</b></p><p>　　關(guān)節(jié)力矩最大值為Tmax=60 Nm，取d=0.3D，可得氣缸缸徑為D=50 mm，行程為160 mm，氣缸型號為DNG-50-160-PPV-A，氣缸如圖3.11所示。</p><p><b>　　髖關(guān)節(jié)

68、氣缸的選擇</b></p><p>　　關(guān)節(jié)力矩最大值為Tmax=80 Nm，取d=0.3D，可得氣缸缸徑為D=63 mm，行程為100 mm，氣缸型號為DNG-63-100-PPV-A，氣缸如圖3.11所示。</p><p>　　3.5.3　連桿的計(jì)算與校核</p><p>　　大小腿內(nèi)外桿主要受到拉伸或壓縮作用。有材料力學(xué)可知，拉壓桿件，其強(qiáng)度條件為

69、：</p><p><b>　?。?.8）</b></p><p><b>　　（3.9）</b></p><p><b>　　式中</b></p><p>　　---材料許用應(yīng)力；</p><p>　　A---最小截面積；</p><

70、;p><b>　　N---所受載荷；</b></p><p>　　---材料強(qiáng)度應(yīng)力；</p><p><b>　　---安全系數(shù)；</b></p><p>　　鋁合金ZAlCu5Mn(ZL201)的抗拉強(qiáng)度：295~335MPa，=2，N600N。</p><p>　　由公式（3.8）、（3

71、.9）可得A4，所設(shè)計(jì)的連桿的最小截面積都大于4，強(qiáng)度條件符合。</p><p>　　3.5.4　腰部板件的校核</p><p>　　腰部板件在腰部結(jié)構(gòu)中起到的是一個懸臂梁的作用，在進(jìn)行校核時等效為懸臂梁即可，如圖3.12所示：</p><p>　　圖3.12　懸臂梁力矩和剪力圖</p><p><b>　?。?）軸的彎矩</

72、b></p><p>　　梁的有效長度為 L=400mm，</p><p>　　所以最大彎矩M=L×P=0.4×300=120N.m，</p><p>　　最大剪力Q=300。．</p><p><b>　?。?）許用應(yīng)力</b></p><p>　　=160MPa，=1

73、00MPa</p><p>　?。?）校核正應(yīng)力強(qiáng)度和剪應(yīng)力強(qiáng)度</p><p><b>　　==3.6× ，</b></p><p><b>　　抗彎截面模量，</b></p><p><b>　　=20MPa，</b></p><p>&

74、lt;b>　　0.4MPa。</b></p><p><b>　　強(qiáng)度合格。</b></p><p>　　3.5.4 銷軸的校核</p><p>　　銷軸在工作過程中主要受擠壓應(yīng)力的作用，如圖3.13所示，在此主要進(jìn)行擠壓應(yīng)力的校核。銷軸的直徑為d=20mm，受到的橫向力為F=600N，計(jì)算銷軸受到的擠壓應(yīng)力。</p&g

75、t;<p>　　圖3.13　銷軸示意圖</p><p>　　由公式 （3.11）</p><p>　　在銷軸中，=4×，=1090N代入公式（3.11）得：</p><p><b>　　==2.5MPa</b></p>&

76、lt;p>　　查表的材料的許用擠壓應(yīng)力為30MPa。</p><p>　　擠壓應(yīng)力遠(yuǎn)小于許用擠壓應(yīng)力，銷軸的強(qiáng)度滿足要求。</p><p>　　3.5.5　雙頭螺柱的校核</p><p>　　腰部可調(diào)結(jié)構(gòu)中的雙頭螺柱是腰部與外部框架鏈接的受力部分，主要受到軸向工作載荷F=600N，其拉伸強(qiáng)度條件為：</p><p><b>　

77、?。?.12）</b></p><p>　　其中=28，=250MPa，由公式（3.12）可得：</p><p>　　=1MPa，螺柱合格。</p><p>　　3.5.6　傳感器的選取</p><p><b>　　1.角位移傳感選擇</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)的主要使用者是病

78、人或老年人，所以對關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度范圍的準(zhǔn)確性要求比較高。在關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)的角度超出給與的范圍的時候，能夠通過控制系統(tǒng)及時地糾正，避免對患者造成傷害。在檢測系統(tǒng)中，傳感器是其中重要的環(huán)節(jié)，它的性能決定了整個傳感檢測系統(tǒng)的性能。</p><p>　　經(jīng)過性能比較，選擇了實(shí)心軸編碼器ISC3004。</p><p>　　它的特點(diǎn)是：可以對各種自動機(jī)械的動作進(jìn)行高精度檢測，體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)緊湊，安裝方

79、便，外徑Ф15，軸徑Ф3，電纜側(cè)出，安裝盤最大外經(jīng)Ф25。具體組裝方式見裝配圖。</p><p>　　2.拉力傳感器的選擇</p><p>　　本設(shè)計(jì)中人體重量60kg，所以選擇拉力傳感器選擇的型號為JLBZ，量程為1kN。</p><p>　　3.6　減重系統(tǒng)分析及相關(guān)計(jì)算</p><p><b>　　1.減重系統(tǒng)分析</b

80、></p><p>　　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。減重機(jī)構(gòu)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(qū)動。如圖3.14所示，人體重量為m，氣缸提供的拉力為F0，R為作用在人體的剩余重力，R=mg-F0。</p><p>　　圖3.14　減重示意圖</p><p>　　設(shè)S為減重比例，則R=mg（1-

81、S）。人體行走時重心在豎直平面內(nèi)上下移動，人體在豎直平面內(nèi)存在加速度。若F0不為恒力，則人體肌肉提供重心加速度的功不是最小。所以要使減重氣缸提供的力F0為恒力。</p><p>　　2.減重系統(tǒng)汽缸地選擇</p><p>　　本設(shè)計(jì)中m=60kg，S最小為0，則減重氣缸提供的最大拉力為R=mg(1-S)=600 N。取氣缸的負(fù)載率η=70%，氣缸理論輸出力F拉=R\η=857 N。<

82、/p><p>　　由公式（3.6）、（3.7）及氣體壓力P=0.6MPa，取活塞桿徑d=0.3D，D為氣缸活塞直徑，計(jì)算出D=46 mm。選擇的氣缸參數(shù)為缸徑50mm，行程50mm。氣缸型號為DNG-50-50-PPV-A。</p><p><b>　　3.7　本章小結(jié)</b></p><p>　　本章是在前幾章對總體方案設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，主要設(shè)計(jì)計(jì)算

83、了各個關(guān)節(jié)中的零件、各個具體結(jié)構(gòu)。主要的設(shè)計(jì)計(jì)算有：連桿、深溝球軸承、銷軸、螺柱，以及驅(qū)動器氣缸計(jì)算校核，以及減重系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算和傳感器的選擇。</p><p>　　第4章　供氣與控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)</p><p>　　本章對氣缸供氣系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并簡單介紹控制系統(tǒng)功能主框圖和控制系統(tǒng)所需完成的功能的特點(diǎn)。</p><p>　　4.1　供氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)</p>

84、<p>　　4.1.1　供氣回路設(shè)計(jì)</p><p>　　針對氣缸的工作情況，設(shè)計(jì)氣動系統(tǒng)回路如圖4.1所示。</p><p>　　下面介紹供氣系統(tǒng)中的各元件的作用和型號的選擇。 </p><p>　　4.1.2　氣動元件的選擇</p><p><b>　　1、空氣壓縮機(jī)</b></p>&l

85、t;p>　　空氣壓縮機(jī)的作用是通過電動機(jī)驅(qū)動將大氣壓力狀態(tài)下的空氣壓縮成較高的壓力，輸送給氣動系統(tǒng)?？諝鈮嚎s機(jī)按壓力高低可分為低壓型（0.21.0MPa）、中壓型（1.010MPa）和高壓型（>10MPa）。氣缸的供氣壓力為0.6MPa，所以選擇低壓型空氣壓縮機(jī)。</p><p>　　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)的場合是醫(yī)院、康復(fù)中心、家庭等，要求空氣壓縮機(jī)的振動和噪聲

86、要小。螺桿式空壓機(jī)的脈動小，振動小，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)。</p><p>　　（1）空氣壓縮機(jī)的輸出壓力ｐa</p><p><b>　?。?.1）</b></p><p>　　式中ｐa　——空壓機(jī)的輸出壓力，MPa；</p><p>　　p ——?dú)鈩釉淖罡呤褂脡毫?，MPa；</

87、p><p>　　——啟動系統(tǒng)的總壓力損失，MPa。</p><p>　　本設(shè)計(jì)中ｐ=0.6MPa，=0.15~0.2MPa，由公式（4.1）可得：</p><p>　?。餫=0.75~0.8MPa</p><p>　　（2）空氣壓縮機(jī)的吸入流量qa</p><p><b>　?。?.2）</b><

88、;/p><p>　　式中qa　——空壓機(jī)的吸入流量，m3/min (ANR)；</p><p>　　qb　——?dú)鈩酉到y(tǒng)的平均耗氣量，m3/min (ANR)；</p><p>　　k　——修正系數(shù)，k=1.5~2.0。</p><p>　　本設(shè)計(jì)中qb=0.6m3/min (ANR)，由公式（4.2）可得：</p><p>

89、;　　qa=0.1m3/min (ANR)</p><p>　　（3）空氣壓縮機(jī)的功率P</p><p><b>　?。?.3）</b></p><p>　　式中P　——空壓機(jī)的功率，kW；</p><p>　　p1　——吸入空氣的絕對壓力，MPa；</p><p>　　K　——等熵指數(shù)，K=1.

90、4；</p><p>　　pa　——輸出空氣的絕對壓力，MPa；</p><p>　　qa　——空壓機(jī)的吸入流量，m3/min (ANR)；</p><p>　　n　——中間冷卻器個數(shù)。</p><p>　　本設(shè)計(jì)中p1=0.1MPa，pa=0.8MPa，qa= 0.1m3/min (ANR)，n=1，由公式（4.3）可得：</p>

91、;<p><b>　　P=1.35kW</b></p><p>　　所選的空氣壓縮機(jī)型號為：德國BOGE公司的微油螺桿式空壓機(jī)CL3，</p><p>　　排氣量：231L/MIN，</p><p>　　工作壓力：8BAR，</p><p>　　馬達(dá)功率：2.2KW，</p><p>

92、;<b>　　2、后冷卻器</b></p><p>　　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設(shè)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。 </p><p>　　后冷卻器分為風(fēng)冷式（HAA系列）和水冷式（HAW系列

93、）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合。風(fēng)冷式的這些特點(diǎn)很適合本設(shè)計(jì)的要求，選用SMC公司的HAA22，主要參數(shù)見表4.1。</p><p>　　表4.1　風(fēng)冷式后冷卻器（HAA22）的技術(shù)參數(shù)</p><p><b>　　3、主管路過濾器</b

94、></p><p>　　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。</p><p>　　本設(shè)計(jì)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。</p>&l

95、t;p>　　表4.2　AFF22B主路過濾器的主要參數(shù)</p><p><b>　　4、空氣干燥器</b></p><p>　　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(jìn)一

96、步清除水蒸氣。干燥器就是用來清除水蒸氣的。</p><p>　　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，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)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。</p>

97、;<p>　　表4.3　IDG-H的技術(shù)參數(shù)</p><p><b>　　5、氣罐</b></p><p>　　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(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，維持短時間供氣，以便采取措施保證氣動設(shè)備

98、的安全。</p><p>　　這里估算氣罐的容積V</p><p><b>　?。?.4）</b></p><p>　　式中：―氣動系統(tǒng)的最大耗氣量，單位：L/min；</p><p>　　―氣動系統(tǒng)允許的最低工作壓力，單位：MPa；</p><p>　　―突然停電時，氣罐內(nèi)的壓力，單位：MPa；

99、</p><p>　　―大氣壓力，取MPa；</p><p>　　―停電后，應(yīng)維持氣動系統(tǒng)正常工作時間，單位：s。</p><p>　　式中=100L/min，=0.6MPa，=1MPa，t=20s，可得Vmin=10L。</p><p>　　氣罐選擇了SMC公司的AT6C型號，技術(shù)參數(shù)見表5.4。</p><p>　

100、　表4.4 AT6C的技術(shù)參數(shù)</p><p><b>　　6、截止閥</b></p><p>　　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(yáng)中市華威電力設(shè)備廠YZJ-2A J23W/H型外螺紋截止閥。</p><p>

101、;<b>　　7、除油器</b></p><p>　　除油器可以分離掉主路過濾器和空氣過濾器難以分離掉0.35m氣狀溶膠油粒子及大于0.3m的銹末、碳粒，這些微粒會加速氣動元件的損壞。</p><p>　　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。</p><p>　　表4.5　AM550主路過濾器的主要參數(shù)</p&

102、gt;<p><b>　　8、除臭器</b></p><p>　　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。</p><p>　　表4.6　AMF550主路過濾器的主要參數(shù)</p><p><b>　　9、空氣過濾器

103、</b></p><p>　　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)品型號為SMC公司的AF-60的空氣過濾器。</p><p><b>　　10、減壓閥</b></p><p>　　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

104、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。</p><p>　　減壓閥按壓力調(diào)節(jié)方式有直動式減壓閥和先導(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。</p><p>　　表4.7　I

105、R3120的技術(shù)參數(shù)</p><p>　　11、壓力表、消聲器</p><p>　　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。</p><p>　　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，便產(chǎn)生了強(qiáng)烈的排氣噪聲。噪聲會損害人的聽覺，影響鍵康。本設(shè)計(jì)要與人體直接

106、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。</p><p><b>　　12、比例流量閥</b></p><p>　　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；不會發(fā)生火災(zāi)、不污染環(huán)境、安全性高。這些

107、特點(diǎn)很符合本設(shè)計(jì)的使用要求。</p><p>　　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，參數(shù)見表4.8。</p><p>　　表4.8　VEF電氣比例閥的主要參數(shù)</p><p>　　13、兩位四通直動式電磁換向閥</p><p>　　直動式電磁換向閥結(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

108、司的JMEH-4/2電磁閥。</p><p>　　4.2　康復(fù)機(jī)器人的訓(xùn)練方式</p><p>　　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)下對患肢進(jìn)行重復(fù)訓(xùn)練。下面介紹兩種常用的物理療法。</p><p><b>　　主動方式</b></p>

109、;<p>　　患者主動運(yùn)動，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)動滯后于患者的運(yùn)動。這種運(yùn)動方式主要是用于鞏固階段的患者，或健身人員。</p><p><b>　　被動方式</b></p><p>　　機(jī)器人帶動患肢以設(shè)定的運(yùn)動方式運(yùn)動，不考慮患肢的阻力，通過重復(fù)訓(xùn)練達(dá)到恢復(fù)和

110、保持肢體運(yùn)動功能的目的。這種運(yùn)動方式用于康復(fù)階段的患者，運(yùn)動速度較低。</p><p>　　本設(shè)計(jì)的主要使用者是下肢有運(yùn)動功能障礙的病人和老人，采用被動方式來恢復(fù)或保持他們下肢的運(yùn)動功能，也可以采用主動方式來鞏固和加強(qiáng)他們下肢的運(yùn)動功能。本機(jī)器人采用不同的控制方法可以實(shí)現(xiàn)主動或被動方式，康復(fù)訓(xùn)練時選擇其中一種即可。</p><p>　　4.3　氣動自動控制方框圖</p>&l

111、t;p>　　供氣系統(tǒng)直接為氣缸供氣，但是，要完全實(shí)現(xiàn)自動控制，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，形成差值，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)節(jié)氣氣缸的運(yùn)動速度，改變旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的角度，使其在按給定的運(yùn)動方式運(yùn)動。如圖4.3中，是減重部分的控制自動控制系

112、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(dāng)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，控制壓力大小，調(diào)節(jié)氣缸的壓力，使氣缸提供恒定壓力。</p><p>　　圖4.2　下肢氣動自動控制方框圖</p><p>　　圖4.3　減重系統(tǒng)控制方框圖</p><p><b>　　4.4　本章小結(jié)<

113、;/b></p><p>　　本章主要介紹了供氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，氣動元件的選取過程。介紹了機(jī)器人的訓(xùn)練方式和控制的功能，為進(jìn)一步完成自動控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。</p><p><b>　　結(jié)　　論</b></p><p>　　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，針對康復(fù)訓(xùn)練的功能，具體闡述了一個

114、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)出一個下肢有六個自由度（下肢每一條腿有3個自由度）的康復(fù)機(jī)器人及其相應(yīng)的框架和減重機(jī)構(gòu)（一個自由度），然后綁在人腰部和下肢上，分別帶動髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的運(yùn)動，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)動功能，它由減重機(jī)構(gòu)、姿態(tài)控制機(jī)構(gòu)、運(yùn)動平板等組成。本文主要完成了以下工作：</p><p>　　1.根據(jù)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的應(yīng)用對象、使用環(huán)境及技術(shù)指