康復(fù)機器人的系統(tǒng)設(shè)計【基于步態(tài)控制的下肢康復(fù)機器人】

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一些零件的設(shè)計和校核 .25 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 1 3.5.1 軸承的選擇及校核 .25 3.5.2 氣缸的選擇 .25 3.5.3 連桿的計算與校核 .27 3.5.4 銷軸的校核 .29 3.5.5 雙頭螺柱的校核 .30 3.5.6 傳感器的選取 .30 3.6 減重系統(tǒng)分析及相關(guān)計算 .31 3.7 本章小結(jié) .32 第 4 章 供氣與控制系統(tǒng)的設(shè)計 .33 4.1 供氣系統(tǒng)的設(shè)計 .33 4.1.1 供氣回路設(shè)計 .33 4.1.2 氣動元件的選擇 .34 4.2 康復(fù)機器人的訓(xùn)練方式 .39 4.3 氣動自動控制方框圖 .39 4.4 本章小結(jié) .40 結(jié) 論 .41 參考文獻 .42 致 謝 .45 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 2 第 1 章緒論 1.1概述 據(jù)報道，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。同時，由于 交通運輸工具的迅速增長，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)以百萬計的有神經(jīng)科疾病病史和受到過意外傷害 的患者需要進行康復(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)后存在長期的運動障礙。隨著國民經(jīng)濟的發(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)測日本未來機器人市場，2005 年醫(yī)療、護理、康 復(fù)機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)機器人是康復(fù)設(shè)備的一種類型?？祻?fù)機器人技術(shù)早已廣受世界各國 科研工作者和醫(yī)療機構(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)機器人研究仍處于起步階 段，一些簡單康復(fù)器械遠遠不能滿足市場對智能化、人機工程化的康復(fù)機器 人的需求，有待進一步的研究和發(fā)展。 由于康復(fù)訓(xùn)練機器人要與人體直接相連，來帶動肢體進行康復(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 3 系統(tǒng)，幫助病人更好地進行康復(fù)訓(xùn)練，減輕他人的幫助，挺高效果。 1.2康復(fù)機器人的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 在對有運動障礙的老人或殘疾人進行治療和康復(fù)的過程中，使用康復(fù)機 器人可以解決好多問題：機器人的使用可以解決專業(yè)護理人員缺乏和醫(yī)療費 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 多的獨立生活能力，提高了病人的生活質(zhì)量等。康復(fù)機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)，幫助患者進行科學(xué)而有效的康復(fù)訓(xùn)練， 使患者的運動機能得到更快更好的恢復(fù)。目前，康復(fù)機器人已經(jīng)廣泛地應(yīng)用 到康復(fù)護理、假肢和康復(fù)治療等方面，這不僅促進了康復(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。 康復(fù)機器人有兩種：輔助型康復(fù)機器人和康復(fù)訓(xùn)練機器人。輔助型康復(fù) 機器人主要是幫助肢體運動有困難的患者完成各種動作，該類產(chǎn)品有機器人 輪椅、機器人護士、機器人假肢、機械外骨骼等。康復(fù)訓(xùn)練機器人的主要功 能是幫助患者完成各種運動功能的恢復(fù)訓(xùn)練，該類產(chǎn)品有行走訓(xùn)練、手臂運 動訓(xùn)練、脊椎運動訓(xùn)練等。 康復(fù)機器人是康復(fù)醫(yī)學(xué)和機器人技術(shù)的完美結(jié)合，康復(fù)機器人技術(shù)在歐 美等國家得到了科研工作者和醫(yī)療機構(gòu)的普遍重視，許多研究機構(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 運動機能損傷等患者來說，下肢康復(fù)訓(xùn)練機器人有著很好的治療效果。國內(nèi) 外許多研究機構(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)練機發(fā)展到現(xiàn)在功能豐富、符 合人體運動機理的下肢康復(fù)訓(xùn)練機器人。早期發(fā)展的下肢康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)是借 助于跑步機、懸吊系統(tǒng)等幫助患者進行運動訓(xùn)練，此種產(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動機理， 還不能稱為康復(fù)訓(xùn)練機器人，只能是一種半自動的康復(fù)訓(xùn)練機械，如圖 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 4 1.1、圖 1.2 所示。圖 1.1、圖 1.2 中的步行訓(xùn)練機，它的功能單一、價格便 宜，而且需要在專業(yè)護理人員的幫助下進行康復(fù)訓(xùn)練，這種機械對下肢病情 比較輕的病人較合適。 圖 1.1步行訓(xùn)練機 3 圖 1.2懸掛式步行訓(xùn)練機 4 隨著機器人技術(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 的認識，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)機器人的研 究 5，并研制了 MGT 型康復(fù)機器人樣機(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)展覽會上展出了名為 LOKOMAT(圖 1.4)的康復(fù)機器人模型。LOKOMAT 機器人主要由步態(tài)矯正 器、先進的體重支持系統(tǒng)和跑臺組成。LOKOMAT 機器人以使用者為根本， 通過對機器人的行為、耐心、合作及運動功能進行評估,建立了一種更為有 效的治療方式，即：機器人先偵測使用者的運動，并且跟隨使用者的運行軌 跡而不是強制使用者按照預(yù)定的軌跡運動，通過機器人的自適應(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 5 圖 1.3MGT 型康復(fù)機器人 圖 1.4LOKOMAT 機器人 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現(xiàn)步態(tài)的軌跡模擬，這個腳踏板由直線電機 帶動實現(xiàn)往復(fù)直線運動，腳踏板支撐部分類似于二自由度機械臂，由兩個伺 服電機驅(qū)動 7(圖 1.5） 。 圖 1.5robotic gait rehabilitation 系統(tǒng)在試驗中 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 6 美國加州大學(xué)伯克利分校的科學(xué)家研制出一種機器人稱為“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， 這種機器人除了可以幫助正常人增加負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1.6BLEEX 日本筑波大學(xué)Cybernics實驗室的科學(xué)家和工程師們，研制出了世界上第 一種商業(yè)外骨骼機器人(Hybrid Assistive Leg ，HAL) 9(圖1.7)，準確地說，是 自動化機器人腿：“ 混合輔助腿 ”。這種裝置能幫助殘疾人以每小時 4公里的 速度行走，毫不費力地爬樓梯。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)有殘疾人在這種機器人的幫助下實現(xiàn)了登山運動。 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 7 圖1.7HAL機器人 圖1.8Power Assist Suit 美國NPH研究中心開創(chuàng)了機器人系統(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)模型模擬的感覺運動障礙。圖1.9為NPH的機器人在實驗中。 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 8 圖1.9NPH的機器人在進行試驗 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)練機器人廣闊的應(yīng) 用前景將推動康復(fù)機器人技術(shù)的進一步發(fā)展。我國對康復(fù)機器人的研究起步 比較晚，輔助型康復(fù)機器人的研究成果相對較多，康復(fù)訓(xùn)練機器人方面的研 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)練機器人樣機 在這項成果中他們采用了虛擬現(xiàn)實技術(shù) 10。哈爾濱工程大學(xué)在康復(fù)機器人 方面也取得了不錯的成果。哈爾濱工程大學(xué)研制的下肢康復(fù)機器人可以模擬 正常人行走的步態(tài)、踝關(guān)節(jié)的運動姿態(tài)以及重心的運動規(guī)律，帶動下肢做行 走運動，實現(xiàn)對下肢各個關(guān)節(jié)的運動訓(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)的運動關(guān)系，使之與人體運動狀態(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)機器人和基于步態(tài)姿態(tài)控制的下肢康復(fù)機器人系統(tǒng) 11。 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 9 圖1.9臥式下肢康復(fù)機器人 圖1.10下肢康復(fù)訓(xùn)練機器人 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” 的研究目的是設(shè)計出一種 可以輔助下肢有運動功能障礙的老人或殘疾人進行功能恢復(fù)訓(xùn)練的康復(fù)機器 人，工作重點是機器人機械本體的結(jié)構(gòu)設(shè)計，要考慮安全性、可靠性、柔順 性，同時進行了氣動控制系統(tǒng)的設(shè)計。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)計及運動學(xué)分析，包括人體行走的步 態(tài)、自由度的設(shè)計、基本參數(shù)的選取、整體結(jié)構(gòu)設(shè)計等。 2.機器人機械本體結(jié)構(gòu)的設(shè)計與計算，包括姿態(tài)控制結(jié)構(gòu)設(shè)計和減重結(jié) 構(gòu)設(shè)計。 3.機器人驅(qū)動器的供氣控制系統(tǒng)的設(shè)計。 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 10 第 2 章總體方案設(shè)計與選擇的論證 2.1步態(tài)分析 下肢康復(fù)機器人是對有腦損傷、中風(fēng)等病人進行主動康復(fù)訓(xùn)練的自動化 機械裝置。它可以幫助患者進行運動機能恢復(fù)性訓(xùn)練，進行主動式步態(tài)訓(xùn)練。 正常人在行走時腳在一個步態(tài)周期內(nèi)的運動情況如圖 2.1 所示 12。 圖 2.1步態(tài)周期 1個步行周期分為兩個時期，支撐期和擺動期。支撐期是當腳和地面接 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%。足跟接地即進入支撐期，足趾離地進入擺動期。支撐 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 11 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。 (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 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 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 期。 步態(tài)各重要階段動作: (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； (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 的動作即為支撐段中期； (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； (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； (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。 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 12 在一個步態(tài)周期的各個時間點，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 131415。 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)合理有效的進行下肢康復(fù)訓(xùn)練， 所設(shè)計的康復(fù)機器人下肢各關(guān)節(jié)的運動（角度、力矩）和人體行走時關(guān)節(jié)的 運動（角度、力矩）應(yīng)該近似。為本設(shè)計就是根據(jù)這個原則進行設(shè)計的。 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 13 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)計的主要工作是設(shè)計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)機器人及其相應(yīng)的框架和減重機構(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)下肢的運動功能，機構(gòu)模型如圖2.8。它 由減重機構(gòu)、姿態(tài)控制機構(gòu)、運動平板等組成。 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 14 圖 2.8機器人的功能模型 減重機構(gòu)可以承擔(dān)患者的一部分體重，減輕病腿的負荷，還可以調(diào)節(jié)人 體的重心上下浮動。減重機構(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。 運動平板通過電機驅(qū)動，能調(diào)節(jié)速度，使適應(yīng)人體行走的不同速度需要。 姿態(tài)控制機構(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動。關(guān)節(jié)是人體運動的樞紐，是傳遞載荷、保持能量、 協(xié)助運動的重要器官。關(guān)節(jié)長期制動，會使肌肉的破壞負最大載下降，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)運動來帶動肌肉進 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 15 行收縮運動，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)。 關(guān)節(jié)的運動學(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 到這個活動范圍。本設(shè)計就是根據(jù)這個原則進行的。 2.2.1自由度的設(shè)計 人體下肢的靈活度很高，關(guān)節(jié)比較復(fù)雜。下肢運動關(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)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 運動。每一條腿有 7 個自由度，想要設(shè)計出一個能夠完成下肢各個關(guān)節(jié)的康 復(fù)運動的機器人非常難?？紤]到有些關(guān)節(jié)運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：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。總體結(jié)構(gòu)有兩條腿和一個減重機 構(gòu)共 7 個自由度。 2.2.2基本參數(shù)的選取 下肢康復(fù)機器人的運動學(xué)和人體的運動學(xué)相近，因此人體下肢關(guān)節(jié)的運 動范圍決定了下至康復(fù)機器人的關(guān)節(jié)運動范圍。下肢康復(fù)機器人的關(guān)節(jié)運動 范圍至少要和人體行走時關(guān)節(jié)范圍一致。為了安全，機器人的關(guān)節(jié)運動范圍 一般要小于人體關(guān)節(jié)運動范圍的最大值。 參考人體下肢各關(guān)節(jié)的運動角度，結(jié)合本設(shè)計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 16 表 2.1各關(guān)節(jié)的運動范圍（） 關(guān)節(jié)活動形式 人體行走最 大值 機器人關(guān)節(jié)取 值 人體關(guān)節(jié) 活動最大值 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)動器的選擇 康復(fù)機器人不同于工業(yè)機器人，因為它特殊的使用場合和使用對象，要 求在能夠完成功能的前提下，整個康復(fù)要要安全、柔順。 本設(shè)計中的驅(qū)動器選擇直線氣缸。因為由傳統(tǒng)的電、液驅(qū)動的馬達或液 壓缸驅(qū)動結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所需能源的消耗較大?？紤]到安裝和運動的方便，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，可以充分利用氣缸所作的功，減小機構(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，這會直接導(dǎo)致兩 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 17 者在運動狀態(tài)中出現(xiàn)運動干涉現(xiàn)象，兩者偏差較大時，整個人一機混合系統(tǒng) 將無法正常工作。因此，在進行大、小腿機械連桿設(shè)計時，把連桿設(shè)計成長 度可調(diào)節(jié)的結(jié)構(gòu)體尤為重要。其優(yōu)點:可避免出現(xiàn)實驗對象單一化，擴大 使用對象;有利于關(guān)節(jié)同軸度的調(diào)整，避免運動干涉現(xiàn)象。 連桿設(shè)計時，要注意以下問題: 1)承載能力。連桿不僅是傳動裝置，而且也是執(zhí)行裝置，要考慮連桿自 身重量、氣缸的重量和實驗對象(人體下肢各段)的重量。 2)剛度。為防止連桿在運動過程中產(chǎn)生過大的變形，從而影響到機器 人的定位精度，因此，剛度必須滿足要求。 3)重量輕、轉(zhuǎn)動慣量小。為提高機器人的反應(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動部分重量。 本設(shè)計中連桿結(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 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 以對機械骸關(guān)節(jié)進行固定作用，另一方面在人行走過程中，當一支人機混合 腿抬起時，即其處于擺動期時，其機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)的機械腿上，這樣可以部分分擔(dān)因一支腿抬起時，機械 腿自重對使用者產(chǎn)生的負重效應(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 間加填了一軟制護腰帶，金屬帶與護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) 計康復(fù)系統(tǒng)時要考慮到減重機構(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。考慮到各個病人腿部力量 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 18 的不同，減重比例要可以調(diào)節(jié)，要從 0100%。 2.2.8整體結(jié)構(gòu)設(shè)計 設(shè)計總體結(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)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) 本章在對康復(fù)機器人步態(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)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)中將具體進行具 體結(jié)構(gòu)的設(shè)計、標準件的選型、非標準件的設(shè)計、氣缸的選型計算等。 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 19 第 3 章機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計與計算及驅(qū)動元件選型 本章設(shè)計了康復(fù)機器人機械部分的結(jié)構(gòu)和驅(qū)動元件的選型，對機械下肢 的運動學(xué)部分進行分析。 3.1人體參數(shù) 本設(shè)計的機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)計要 借鑒人體下肢的一些參數(shù)，在零件的選擇和校核計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 因為本設(shè)計是要帶動人的下肢進行關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)運動的，所以機器人下肢的 旋轉(zhuǎn)角度和運動靈活性也要和人行走時的下肢接近?？紤]到本設(shè)計的使用對 象是有運動功能障礙的患者，所以確定各旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)運動為：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。 3.2各關(guān)節(jié)運動學(xué)分析 本設(shè)計中的關(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 20 3.2.1 踝關(guān)節(jié)的運動學(xué)分析 圖 3.1所示為下肢踝關(guān)節(jié)的運動學(xué)模型示意圖。 2 是小腿桿的一部分 的長度， 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 點到 L 的距離， 為關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)過的角度。 圖3.1踝關(guān)節(jié)運動學(xué)模型 其中L 1=110，L 2=313，L 3=178，單位為毫米，=100，的范圍為30 +30。氣缸的長度（包括附件接頭的長度） 由下面公式 （3.1） 21213221 arctncosL 計算出的L范圍為 310450，行程為140。R的最小值為 110。 3.2.2 膝關(guān)節(jié)的運動學(xué)分析 圖3.2所示為下肢膝關(guān)節(jié)的運動學(xué)模型示意圖。 2是大腿桿的一部分 的長度， 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 21 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，為關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)過的角度。 圖3.2 膝關(guān)節(jié)機構(gòu)運動學(xué)模型 其中L 1=110，L 2=402，L 3=171，=120，氣缸 L的長度可由公式(3.1)算 出。計算出的L的范圍為350500，行程為150。 R的最小值為110。 3.2.3 髖關(guān)節(jié)的運動學(xué)分析 圖3.3所示為下肢髖關(guān)節(jié)的運動學(xué)模型示意圖。 2是大腿桿的一部分 的長度， 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，為關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)過的角度。 其中 1=60，L 2=340，L 3=135， =120，的范圍為30 +45。氣缸 L的長度可由公式 (3.1)算出。計算出的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 22 圖3.3髖關(guān)節(jié)機構(gòu)運動學(xué)模型 3.3關(guān)節(jié)力矩分析 由于本設(shè)計的機械結(jié)構(gòu)部分的作的是低速運動，所以零件的選擇從靜力 學(xué)角度分析和計算。 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 23 、 、 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123 x 向為初始位置，圖中所示角度的轉(zhuǎn)向為正向 、 分別為大腿和小腿的長度 1l2 、 、 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，包括人體和機械結(jié)構(gòu)總質(zhì)量。1m23 在下面的計算過程中，力矩 的計算式均是按式（3.3）、（3.4）、T （3.5）的原理計算的，所不同的是，下面的計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 3.4.1關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的選擇 各個關(guān)節(jié)均為旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，實現(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，可以充分利用氣缸所作的功，減小 機構(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，而且整個機構(gòu)零 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 24 件分散，零件個體小，可以使整個關(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 25 3.4.3腰部結(jié)構(gòu)設(shè)計 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動，腰部結(jié)構(gòu)中有可以轉(zhuǎn)動的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)。如圖 3.8 是實體效果圖。 圖 3.8 腰部實體效果圖 3.4.4減重機構(gòu) 減重機構(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 26 圖 3.9減重機構(gòu)圖 3.4.5整體結(jié)構(gòu)設(shè)計 設(shè)計總體結(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實體效果圖。 圖 3.10Pro-E 實體效果圖 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 27 3.5一些零件的設(shè)計和校核 3.5.1軸承的選擇及校核 本設(shè)計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。最大當量動載荷 P=600N，壽命指數(shù) =3，轉(zhuǎn)速n=60r/min,軸承基本額定壽命L h（單位為小時) 為 LPCh 66102n01 所選軸承6000符合要求 3.5.2 氣缸的選擇 本設(shè)計中用到的氣缸是根據(jù)德國Festo公司提供的型號選用的 ，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，選擇擺動式單耳環(huán)氣缸。 3.作用力大小 負載力F，負載率 =70%，氣缸輸出力F 拉 =F，F(xiàn) 推 =F， 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。 空氣壓縮機按工作原理分為三類：活塞式、螺桿式和透平式。本設(shè)計的 場合是醫(yī)院、康復(fù)中心、家庭等，要求空氣壓縮機的振動和噪聲要小。螺桿 式空壓機的脈動小，振動小，噪音小，符合本設(shè)計的要求，所以選擇螺桿式 空氣壓縮機。 （1）空氣壓縮機的輸出壓力 a （4.1）pp 式中 a 空壓機的輸出壓力，MPa； p 氣動元件的最高使用壓力，MPa； 啟動系統(tǒng)的總壓力損失，MPa。 本設(shè)計中 =0.6MPa， =0.150.2MPa，由公式（4.1）可得：p a=0.750.8MPa （2）空氣壓縮機的吸入流量q a （4.2）bakq 式中q a 空壓機的吸入流量，m 3/min (ANR)； qb氣動系統(tǒng)的平均耗氣量，m 3/min (ANR)； k修正系數(shù)， k=1.52.0。 本設(shè)計中q b=0.6m3/min (ANR)，由公式（4.2）可得： qa=0.1m3/min (ANR) （3）空氣壓縮機的功率P 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 36 106.11KnapqKnP （4.3） 式中P空壓機的功率，kW； p1吸入空氣的絕對壓力，MPa； K 等熵指數(shù)，K =1.4； pa輸出空氣的絕對壓力，MPa； qa 空壓機的吸入流量，m 3/min (ANR)； n中間冷卻器個數(shù)。 本設(shè)計中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 所選的空氣壓縮機型號為：德國BOGE公司的微油螺桿式空壓機 CL3， 排氣量：231L/MIN， 工作壓力：8BAR ， 馬達功率：2.2KW ， 2、后冷卻器 從空壓機中輸出的壓縮空氣溫度可達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、運轉(zhuǎn)成本低，適用于進口空氣溫度低于 100 ，處理空氣量較少的場合。風(fēng)冷式的這些特點很適合本設(shè)計的要求，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 37 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） 適用壓縮機功 率（kW） 進口空氣溫度 （ ）C 出口空氣溫度 （ ） 3300 1.0 22 5100 40 3、主管路過濾器 氣體經(jīng)空氣壓縮機后，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。 表4.2AFF22B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 1.00.012 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 選用高分子隔膜式干燥器（IDG系列）。這種干燥器的特點是：體積小、重 量輕、無需排水器，帶露點顯示器，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)計的要求，所以本設(shè)計 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 38 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。 表4.3IDG-H的技術(shù)參數(shù) 進口壓力范圍 （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（ ）C 0.3 1.0 -5 5025 1000 3 110 -40 5、氣罐 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 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)用氣量大于壓縮機輸出氣量的矛盾，另一方面可在空氣壓縮機出 現(xiàn)故障時，維持短時間供氣，以便采取措施保證氣動設(shè)備的安全。 這里估算氣罐的容積V 21max60PtqV （4.4） 式中： 氣動系統(tǒng)的最大耗氣量，單位：L/min；maxq 氣動系統(tǒng)允許的最低工作壓力，單位：MPa；2P 突然停電時，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)維持氣動系統(tǒng)正常工作時間，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，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 39 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，這些微粒會加速氣動元件的損壞。 本設(shè)計中采用SMC公司的 AM550的除油器，技術(shù)參數(shù)見表 5.5。 表4.5AM550 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 1.00.025 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4.6AMF550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 1.00.015 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。 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 40 10、減壓閥 減壓閥是出口側(cè)壓力可調(diào)（但低于進口側(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，因為它調(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。 表4.7IR3120的技術(shù)參數(shù) 最高進口壓力 （MPa） 最低進口壓力 （MPa） 調(diào)壓范圍 （MPa） 控制壓力 （MPa） 重復(fù)度 1.0 0.1 0.01 0.80.01 0.80.5% 11、壓力表、消聲器 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。 比例閥在工作過程中，因為壓縮空氣流量和速度的變化，引起振動，便 產(chǎn)生了強烈的排氣噪聲。噪聲會損害人的聽覺，影響鍵康。本設(shè)計要與人體 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現(xiàn)輸出流量進行比例控制。它的特點是：能 實現(xiàn)程序控制、實現(xiàn)自動化；能實現(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。這些特點很符合 本設(shè)計的使用要求。 結(jié)合本設(shè)計要求，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。 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 41 表4.8VEF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、兩位四通直動式電磁換向閥 直動式電磁換向閥結(jié)構(gòu)簡單，切換速度快，符合本設(shè)計的要求。選用德 國 Festo 公司的 JMEH-4/2 電磁閥。 4.2康復(fù)機器人的訓(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)下對患肢進行重復(fù)訓(xùn)練。下面介紹兩種常用的物理療法。 （1）主動方式 患者主動運動，機械下肢提供一定的阻力。機器的速度與患者的運動速 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)練強度，機器的運 動滯后于患者的運動。這種運動方式主要是用于鞏固階段的患者，或健身人 員。 （2）被動方式 機器人帶動患肢以設(shè)定的運動方式運動，不考慮患肢的阻力，通過重復(fù) 訓(xùn)練達到恢復(fù)和保持肢體運動功能的目的。這種運動方式用于康復(fù)階段的患 者，運動速度較低。 本設(shè)計的主要使用者是下肢有運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動功能，也可以采用主動方式來鞏固和加強他 們下肢的運動功能。本機器人采用不同的控制方法可以實現(xiàn)主動或被動方式， 康復(fù)訓(xùn)練時選擇其中一種即可。 4.3氣動自動控制方框圖 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 42 供氣系統(tǒng)直接為氣缸供氣，但是，要完全實現(xiàn)自動控制，還需要由單片 機或計算機執(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)。當實際旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié) 超出給定角度值 時，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)氣氣缸的運動速度，改變旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的角度，使其在按給定的運動方式運動。 如圖4.3中，是減重部分的控制自動控制系統(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相比較形成一個閉環(huán)系統(tǒng)。當拉力超出 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下肢氣動自動控制方框圖 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 43 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，氣動元件的選取過程。介紹了機 器人的訓(xùn)練方式和控制的功能，為進一步完成自動控制系統(tǒng)的設(shè)計提供了理 論基礎(chǔ)。 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 44 結(jié)論 本論文是在綜述了目前國內(nèi)外康復(fù)機器人的研究和應(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，具體闡述了一個基于步態(tài)控制的下肢康復(fù) 機器人的設(shè)計。本設(shè)計的主要工作是設(shè)計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)機器人及其相應(yīng)的框架和減重機構(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)下肢的運動功能，它由減重機構(gòu)、 姿態(tài)控制機構(gòu)、運動平板等組成。本文主要完成了以下工作： 1.根據(jù)康復(fù)訓(xùn)練機器人的應(yīng)用對象、使用環(huán)境及技術(shù)指標的要求，結(jié)合 人體工程學(xué)的基本知識和康復(fù)醫(yī)學(xué)的基本理論，確定系統(tǒng)的總體方案，采用 三個自由度分別實現(xiàn)單邊髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)及踝關(guān)節(jié)的運動訓(xùn)練，總共采用7 個自由度。 2.結(jié)合康復(fù)器械的運動特點，比較多種驅(qū)動器的利弊，選用氣缸作為康 復(fù)訓(xùn)練機器人的驅(qū)動器。選擇氣缸的型號，進行所需行程的計算。 3.進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計計算。根據(jù)機械設(shè)計的基本理論和方法，選擇能完成 機械運動的合適的零件，設(shè)計計算零件的型號和尺寸?？紤]制作工藝性和裝 配工藝性，設(shè)計連接件的結(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.針對機器人的驅(qū)動方式和應(yīng)用場合，對供氣系統(tǒng)進行了設(shè)計，并初步 分析了控制系統(tǒng)的基本組成和機器人的運行方式。 設(shè)計出的康復(fù)訓(xùn)練機器人能夠完成一定的康復(fù)訓(xùn)練工作，但要完全實現(xiàn) 自動化控制，提高機器人的柔順性，還需要開展如下的研究工作：(1)進一 步研究氣缸及其驅(qū)動關(guān)節(jié)的動態(tài)模型；(2)研究氣缸閉環(huán)控制系統(tǒng)的特點， 進一步提高系統(tǒng)的柔順性。(3)進一步優(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 45 參考文獻 1張付祥，付宜利，王樹國康復(fù)機器人研究現(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)機器人研究現(xiàn)狀J中國康復(fù)醫(yī)學(xué)雜 志，2003，18（5）：293-294 3Hogan N，Krebs I，Charnnarong J，Srikrishna P，Sharon AMIT- MANUS：A Workstation for Manual and Training JIEEE International Workshop on Robot and Human Communication，1992 ：161 165 4 Rehabilitation Center of DRMC.http:/www.drmc.org/rehab.php，2008- 06-12. 5 Gait rehabilitation.http:/userpage.fu- berlin.de/bhesse/Gangreha/gte.html，2008，06，10 . 6 Saso Jezernik，Gery Colombo，Manfred Morari.Automatic Gait-Pattern Adaptation Algorithms for Rehabilitation With a 4-DOF Robotic rthosisJIEEE Transaction on Rehabilitation and automation，VOL.20 ，NO.3，JUNE2004 7 Rolf Bemhardt，Dragoljub Surdilovic.STRING-MAN：A New Wire Robot for Gait Rehabilitation.Proceedings of the 2004 IEEE International Conference 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