老年助力行走機構(gòu)設(shè)計【含CAD圖紙、說明書】

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容2014-02-222014-03-312014-04-12014-05-302014-06-012014-06-07畢業(yè)設(shè)計開始，查閱中外文資料，完成外文翻譯，完成實習(xí)調(diào)研和實習(xí)報告，完成開題報告；進行畢業(yè)設(shè)計，接收畢業(yè)設(shè)計中期檢查，根據(jù)設(shè)計要求，進行機械結(jié)構(gòu)原理設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計，撰寫畢業(yè)設(shè)計論文；修改完善畢業(yè)論文、準備畢業(yè)答辯、整理畢業(yè)設(shè)計期間的所有資料、成果并歸檔。 文 獻 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)對日常穿戴進行智能化設(shè)計、開發(fā)出可以穿戴的設(shè)備的總稱，如Ekso Bionics機械腿，鞋等。 機械腿的研究是步行機器人研究的核心內(nèi)容。步行機器人是一個交叉學(xué)科的研究，它涉及仿生學(xué)、機械學(xué)、控制學(xué)及信息處理技術(shù)等。步行機器人在多個行業(yè)具有很多應(yīng)用優(yōu)勢，逐漸成為國內(nèi)外機器人研究領(lǐng)域的一個熱點。步行機器人與其他履帶式、輪式機器人相比，具有以下的運動特性。(1)步行機器人具有良好的地面自適應(yīng)性 步行機器人可以在復(fù)雜的地形上利用離散的點來選擇最優(yōu)的地面支撐點，并且可以跨越一定的障礙物。(2）步行機器人的腿部運動系統(tǒng)比較穩(wěn)定 步行機器人的腿部運動系統(tǒng)可以保證身體相對地面的穩(wěn)定，因其腿部具有多個自由度，靈活性大，同時可以通過調(diào)節(jié)腿的伸展度來調(diào)整重心，因此不易翻倒，穩(wěn)定性高。 仿人機器人作為步行機器人的一種形式，是提高機器人機動性和節(jié)省能源的一條重要途徑。仿人機器人是機器人研究領(lǐng)域最高研究成果的代表。相對于其他機器人，仿人機器人具有人的外形，并具備良好的人機交互能力，所以在娛樂服務(wù)等領(lǐng)域，仿人機器人具有更明顯的優(yōu)勢。 仿人步行機器人具有諸多的優(yōu)勢，使其成為日前研究的熱點。為使機器人腿部能協(xié)調(diào)而穩(wěn)定的運動，機械結(jié)構(gòu)設(shè)計和控制系統(tǒng)算法的研究都比較復(fù)雜，使其研究充滿挑戰(zhàn)。二、課題國內(nèi)外現(xiàn)狀1.國外研究現(xiàn)狀 2000年，德國自由大學(xué)Hesse Stefen等人研制了一種下肢康復(fù)訓(xùn)練機器人MGT 。 2001年，德國弗朗霍費爾研究所(Franhofer Institut IPK)基于吊線木偶原理，研制了一種繩驅(qū)動式下肢康復(fù)訓(xùn)練機器人Stringman，配合踏步車使用。 Ekso Bionics，是一款可穿戴的、通過電池供電的仿生機械腿，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，以內(nèi)置電動馬達為動力，當人們把它穿在身上，就能重新獲得行走的能力！Ekso Bionics圖2.國內(nèi)研究現(xiàn)狀 在下肢機器人方面，國內(nèi)研究起步較晚，取得的成果也不多。目前的研究機構(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)開發(fā)的輔助型下肢康復(fù)訓(xùn)練機器人和浙江大學(xué)開發(fā)的可穿戴式的下肢步行外骨骼。從2004年，中科院合肥智能機械研究所也開始從事相關(guān)的研究工作。 2002年，哈爾濱工程大學(xué)機電一體化研究所研制出了一種下肢康復(fù)訓(xùn)練機器人樣，如圖1-16所示，該機器人由三自由度步態(tài)機構(gòu)、姿態(tài)機構(gòu)和重心平衡機構(gòu)等組成。其優(yōu)點是可實現(xiàn)腳的姿態(tài)調(diào)整，在機器人的遠程控制技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)及減重控制策略方面進行了實驗或仿真研究，后續(xù)研制并開發(fā)了可與該機器人配合使用的四自由度繩索牽引骨盆運動并聯(lián)康復(fù)機器人。 2006年，上海大學(xué)機電工程與自動化學(xué)院也研究了一套可穿戴式助力機械腿，如圖1-17所示。單側(cè)下肢有兩個自由度，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)機電一體化實驗室的研究小組研制了被動式步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練器。2009年，該研究小組又提出了步態(tài)訓(xùn)練機器，機器人可控制雙足矢狀面內(nèi)六自由度的運動，具有承載能力強，步幅、步態(tài)、足底姿態(tài)可靈活調(diào)整等優(yōu)點。通過不同的軌跡規(guī)劃，機器人能夠模擬上、下樓梯，平地行走等步態(tài)動作。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。實驗研究表明，該機器人可實現(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 2006年中國人口老齡化發(fā)展趨勢預(yù)測研究報告表明，到2023年，我國老年人口將達到2.7億，與0-14歲少兒人口數(shù)量相等。而到2051年，中國老年人口規(guī)模將達到峰值4.37億，約為少兒人口數(shù)量的2倍。針對我國人口老齡化的口益嚴重、腦卒中患者數(shù)量多、治療醫(yī)師資源缺乏的情況，開發(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)的機器人，對降低老年人跌倒的比例、幫助偏癱患者樹立重新行走的信心、提高老年人獨立生活的質(zhì)量減輕社會負擔具有重要的研究意義。同時，機器人輔助設(shè)備可以極大的降低康復(fù)師的工作量，促進患者的主動參與，可以客觀的評價康復(fù)訓(xùn)練的強度、時間和效果，使康復(fù)治療更加系統(tǒng)化和規(guī)范化。 穿戴式機械腿應(yīng)用于醫(yī)療上越來越多，幫助殘疾人站起來。 盡管目前己經(jīng)開發(fā)出了多種助行康復(fù)機器人，但機器人在機械結(jié)構(gòu)精巧、人機協(xié)調(diào)、自動適應(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遠達不到實際應(yīng)用的要求。同時，由于目前的康復(fù)訓(xùn)練機器人運用于臨床康復(fù)的訓(xùn)練方案、訓(xùn)練的評價方法等還處于摸索階段，機器人技術(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，對機器人進行改良，開展與其它臨床康復(fù)方法的有機結(jié)合以提高其臨床康復(fù)效果，擴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，減輕社會負擔，使其真正服務(wù)于需要的人，有著重要的意義。四.存在的問題 近年來，關(guān)于外骨骼機構(gòu)的人一機運動相容性設(shè)計問題開始得到研究者的關(guān)注，一些研究者對上肢外骨骼機構(gòu)的運動相容性進行了分析，并基于人機工程學(xué)原理對上肢外骨骼機構(gòu)的運動學(xué)設(shè)計方法進行了研究。但是對下肢康復(fù)機器人機構(gòu)的人一機相容性問題以及影響人一機相容性的因素方面研究較少，主要問題如下。 (l)人一機聯(lián)接模式對人一機相容性的影響現(xiàn)有下肢康復(fù)機器人中，人一機之間采直接綁縛或通過穿戴具以緊致穿戴的形式相聯(lián)接，缺乏有關(guān)人一機聯(lián)接模式和約束性質(zhì)的深入研究，更未分析聯(lián)接模式對人一機運動相容性的影響。 (2)機構(gòu)構(gòu)型對人一機相容性的影響現(xiàn)有的下肢康復(fù)機器人機構(gòu)的骸關(guān)節(jié)多采用單自由度回轉(zhuǎn)副或由2個回轉(zhuǎn)副進行運動等效，膝關(guān)節(jié)為單自由度回轉(zhuǎn)副，機構(gòu)的尺度參數(shù)根據(jù)下肢骨胳的比例和長度確定。優(yōu)點是機器人機構(gòu)的構(gòu)型相對簡潔且機構(gòu)的設(shè)計簡便易行。但機器人機構(gòu)的關(guān)節(jié)數(shù)目少于下肢骨骼的關(guān)節(jié)數(shù)目，而且對應(yīng)關(guān)節(jié)的運動屬性也有所不同，構(gòu)型的選取會直接影響人一機之間的運動相容性。 (3)機構(gòu)參數(shù)優(yōu)化對人一機相容性的影響由于下肢康復(fù)機器人機構(gòu)與人體骨骼機構(gòu)在關(guān)節(jié)數(shù)目、關(guān)節(jié)運動特性上的差異以及機器人機構(gòu)的外掛屬性，若機器人機構(gòu)參數(shù)或聯(lián)接參數(shù)設(shè)計不夠合理，也會導(dǎo)致人一機運動不相容，在聯(lián)接部位發(fā)生運動干涉與沖突。 此外，在機構(gòu)設(shè)計中，材料選擇、結(jié)構(gòu)美觀和機構(gòu)可調(diào)性等也是研究的重要問題。本課題要研究或解決的問題和擬采用的研究手段（途徑）1.研究或解決的5大問題 (1)可穿戴性要好:下肢外骨骼康復(fù)機器人要有良好的可穿戴性經(jīng)過簡單的訓(xùn)練即可非常容易順利快速地穿脫。 (2)可調(diào)節(jié)性要強:下肢外骨骼康復(fù)機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:外骨骼機器人應(yīng)盡量輕巧、簡便方便穿戴和驅(qū)動，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，減小人機相互干擾，從而減小對人體各方面的限制。 (5)柔順、舒適性要好:下肢外骨骼機器人的運動與人體下肢的運動要具有很好的協(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。使穿戴著感覺柔順自然。 2.研究手段（1）弄清楚穿戴式機械腿機構(gòu)特點1穿戴式機械腿的結(jié)構(gòu)布局特點 機械腿通過三個電機驅(qū)動，實現(xiàn)膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的運動，類似于人體膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)特點，其驅(qū)動裝置安放在固定件的位置上。該機構(gòu)的運動桿件不必承載驅(qū)動電機的重量，減少了電機數(shù)量，這種擬人機械腿具有結(jié)構(gòu)簡單、承載能力強、運動慣性小、運動靈活等優(yōu)點，克服了傳動系統(tǒng)復(fù)雜、動態(tài)特性差等缺點。這種穿戴式機械腿的結(jié)構(gòu)布局特點如下:三個直線移動副P1、P2和P3相互平行;三個直線移動副P1、P2和P3均安裝在基座上;當桿FO2垂直于而MNO2、平行于桿FO1，且各移動副輸入均為零時，這種膝關(guān)節(jié)和躁關(guān)節(jié)機構(gòu)處于初始位姿。移動副P1、P2和P3的初始長度分別為Lio （i=1,2,3),Z分別為各直線移動副的輸入位移。建立兩個坐標系:靜坐標系R(O1X1Y1Z1)、動坐標系S(O2X2Y2Z2)，如圖1所示，點O2為這種機構(gòu)的參考點。 圖1（2）穿戴式機械腿設(shè)計方案 1. 基于機械腿的參數(shù)優(yōu)化結(jié)果，同時考慮加工與裝配工藝性，給出一種擬人機械腿的設(shè)計方案，如圖2(a)所示，這種擬人機械腿與球而三自由度并聯(lián)機構(gòu)(作為擬人骸關(guān)節(jié)機構(gòu)原型)串聯(lián)在一起，構(gòu)成擬人下肢的設(shè)計方案，如圖2(b)所示。這種擬人機械腿機構(gòu)的膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)采用4- DOF欠驅(qū)動機構(gòu)為機構(gòu)原型，通過三個電機實現(xiàn)膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的運動方式，電機等固定件靠近腰部附近，減小電機等固定件產(chǎn)生的力矩，增加腿部的承載能力，減小運動慣性，發(fā)揮并聯(lián)機構(gòu)的優(yōu)點，同時，這種新型擬人下肢可實現(xiàn)任何步態(tài)狀況，具有主動控制步態(tài)的優(yōu)點。因此，這種新型擬人下肢具有結(jié)構(gòu)簡單、承載能力強、運動慣性小、運動穩(wěn)定等優(yōu)點。 圖2（a） 圖2（b）（3）機械腿結(jié)構(gòu)的優(yōu)化 按照機構(gòu)原理圖的設(shè)計圖想，其中較難設(shè)計的部分為膝關(guān)節(jié)所在支鏈的平面四桿機構(gòu)而如果完全按原理圖的設(shè)計，將轉(zhuǎn)動副F.通過個單獨的桿件與基座固連，那么機械腿顯得不夠緊湊和靈巧。在傳動副F點的固定問題上可以去掉桿件IF,將傳動副F直接表示 圖3 圖4 圖5 為機架固連，圖3，那么再設(shè)計傳動副F只要固連任何與機架相連的地方即可，圖3為了使機械腿的結(jié)構(gòu)史緊湊，將圖3中的AIFJ支鏈翻轉(zhuǎn)180度.再將點J上的桿件固連到點E 上，如圖4所示，這樣I改動不改變原有的工作原理。移動副采用滾珠絲桿實現(xiàn)，根據(jù)改進的機構(gòu)簡圖，設(shè)計了如圖5所小的膝關(guān)口聽在支鏈結(jié)構(gòu)設(shè)計，扣將轉(zhuǎn)動副F固定絲杠導(dǎo)軌的基座上，而該基座與機械腿的靜平臺基座固連，這樣使得擬人機械腿結(jié)構(gòu)緊湊，同時減輕重量。（4）加入胡克鉸結(jié)構(gòu) 胡克鉸（圖6）在并聯(lián)機構(gòu)中使用傾率很高，而該結(jié)構(gòu)的設(shè)計直接彩響了整個并聯(lián)機構(gòu)的性能。因為在研究機構(gòu)的工作空間時，在考慮約束的影響中，胡克鉸兩個方向的轉(zhuǎn)動范圍是一個重要因素。對這個擬人機械腿機構(gòu)，沒有桿件之間的干涉，胡克鉸的性能對這個機構(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) 對三條運動支鏈進行合理布局，避免桿件發(fā)生運動干涉，同時根據(jù)裝配工藝要求設(shè)計運動支鏈與動、靜平臺的連接方一式。 擬人機械腿的裝配體結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。三條運動支鏈通過上、下平臺連接在一起，并通過板件對其加固。電機固定上平臺上，上平臺上與關(guān)節(jié)相連。下平臺設(shè)計為腳底板，直接與地面接觸。圖7（6）機械腿的方案最終實現(xiàn)簡圖 圖813