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1、1 2 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,肢體康復(fù)機(jī)器人技術(shù)作為機(jī)器人技術(shù)的一種,得到了迅速的發(fā)展。下肢康復(fù)機(jī)器人能夠輔助下肢運(yùn)動(dòng)功能障礙患者模擬正常人的步態(tài)規(guī)律作康復(fù)訓(xùn)練運(yùn)動(dòng)，從而鍛煉患者下肢肌肉，恢復(fù)神經(jīng)系統(tǒng)對(duì)行走功能的控制能力以及患者正常走路機(jī)能。 對(duì)腳踏式下肢康復(fù)機(jī)器人工作空間進(jìn)行了分析，提出了腳踏式下肢康復(fù)機(jī)器人的總體方案，介紹機(jī)器人控制系統(tǒng)。 運(yùn)用繪圖軟件對(duì)機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行構(gòu)件設(shè)計(jì),闡述了機(jī)器人工作原理。分析現(xiàn)有的下肢康復(fù)機(jī)器人技術(shù)特點(diǎn)，闡明了本腳踏式下肢康復(fù)機(jī)器人的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)和機(jī)械原理基礎(chǔ)知識(shí)為整個(gè)下肢康復(fù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。 3 4 1.康復(fù)理論 康復(fù)機(jī)器人是一種特殊
2、的機(jī)器人，它的受用對(duì)象的病人，所以在進(jìn)行下肢康復(fù)機(jī)器人研究時(shí)必須了解康復(fù)醫(yī)學(xué)知識(shí)，懂得運(yùn)動(dòng)康復(fù)機(jī)理。本文對(duì)下肢康復(fù)機(jī)器人治療原理進(jìn)行了分析。2.機(jī)器人總體設(shè)計(jì) 根據(jù)腳踏式下肢康復(fù)機(jī)器人的工作空間以及模擬正常人步態(tài)軌跡研究和設(shè)計(jì)了機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)。 3.機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 5 建立了機(jī)器人主體機(jī)構(gòu)模型并說明其工作原理及其創(chuàng)新點(diǎn),同時(shí)對(duì)機(jī)器人主要零部件、主要連接機(jī)構(gòu)、主要傳動(dòng)進(jìn)行了說明。 4.機(jī)器人控制系統(tǒng)研制 分析了康復(fù)控制策略,確立了集中控制的控制方式,完成了總體控制平臺(tái)的搭建。 2.1下肢結(jié)構(gòu)模型 6 人體下肢運(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)，各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)關(guān)系如圖所示，通過三個(gè)主要運(yùn)動(dòng)特性
3、的比較可知，各關(guān)節(jié)的共同運(yùn)動(dòng)為屈、伸運(yùn)動(dòng)。 通過對(duì)下肢各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)特性分析，可以建立下肢的簡單剛體模型。 2.2步態(tài)分析 7 一個(gè)步態(tài)周期包括支撐期和擺動(dòng)期，一側(cè)足跟著地期為支撐，離地期為擺動(dòng)期。支撐期站一個(gè)步態(tài)周期的60%，擺動(dòng)期占一個(gè)步態(tài)周期的40%，其中單側(cè)肢體支撐期占40%，雙側(cè)肢體支撐期占20%。 2.3下肢康復(fù)機(jī)器人總體設(shè)計(jì) 8 2.2下肢康復(fù)機(jī)器人總體設(shè)計(jì) 下肢康復(fù)機(jī)器人是幫助下肢運(yùn)動(dòng)障礙患者進(jìn)行運(yùn)動(dòng)機(jī)能恢復(fù)性訓(xùn)練,盡可能模擬正常人，使患者下肢的運(yùn)動(dòng)功能得到鍛煉和恢復(fù)。 首先，下肢康復(fù)機(jī)器人應(yīng)該具有合理的結(jié)構(gòu),滿足機(jī)器人空間設(shè)計(jì)要求。 其次，下肢康復(fù)機(jī)器人應(yīng)該具有足夠的安全性。結(jié)構(gòu)
4、上,患者的下肢運(yùn)動(dòng)空間不能與牽引機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)空間發(fā)生干涉,同時(shí)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)不能對(duì)對(duì)患者下肢產(chǎn)生過大的牽引力。最后,下肢康復(fù)機(jī)器人屬于醫(yī)療設(shè)備范疇,應(yīng)該無噪聲、無污染、外觀漂亮,以利于患者更好的康復(fù)訓(xùn)練。 2.4下肢康復(fù)機(jī)器人的性能指標(biāo)1.承載能力應(yīng)達(dá)到85kg;2.占地應(yīng)小于1平米3.能康復(fù)下肢髖、膝、踝關(guān)節(jié),具有6自由度（F=3n(2PL +Ph ) n:活動(dòng)構(gòu)件數(shù)，PL：低副約束數(shù)Ph:高副約束數(shù)）4.能近似模擬正常人行走步態(tài)軌跡和腳步位姿;5.能進(jìn)行主被動(dòng)訓(xùn)練6.具有可移動(dòng)性;7.最高訓(xùn)練次數(shù)可到60次/每分鐘;8.訓(xùn)練器工作時(shí)噪音小、無明顯震動(dòng) 2.5 康復(fù)機(jī)器人總體方案 11 腳踏式下肢康
5、復(fù)機(jī)器人的總體方案由機(jī)器人本體和控制部分組成 。 機(jī)器人本體:包括步態(tài)機(jī)構(gòu)、左腳踝姿態(tài)機(jī)構(gòu)、右腳踝姿態(tài)機(jī)構(gòu)和支撐機(jī)構(gòu),兩姿態(tài)機(jī)構(gòu)位于步態(tài)機(jī)構(gòu)兩側(cè),對(duì)稱布置,支撐機(jī)構(gòu)用于定位放置步態(tài)機(jī)構(gòu)、姿態(tài)機(jī)構(gòu)和控制平臺(tái); 控制部分:完成機(jī)器人各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制功能和機(jī)器人狀態(tài)的檢測(cè),同時(shí)實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面交互,控制機(jī)器人速度,機(jī)器人狀態(tài)顯示等功能。腳踏式下肢康復(fù)機(jī)器人的總體方案由機(jī)器人本體和控制部分組成。機(jī)器人本體包括步態(tài)機(jī)構(gòu)、左腳踝姿態(tài)機(jī)構(gòu)、右腳踝姿態(tài)機(jī)構(gòu)和支撐機(jī)構(gòu)兩姿態(tài)機(jī)構(gòu)位于步態(tài)機(jī)構(gòu)兩側(cè)對(duì)稱布置支撐機(jī)構(gòu)用于定位放置步態(tài)機(jī)構(gòu)、姿態(tài)機(jī)構(gòu)和控制平臺(tái)控制部分完成機(jī)器人各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制功能和機(jī)器人狀態(tài)的檢測(cè)同時(shí)實(shí)現(xiàn)人機(jī)
6、界面交互控制機(jī)器人速度機(jī)器人狀態(tài)顯示等功能。 12 整個(gè)下肢康復(fù)機(jī)器人是根據(jù)人體處于坐姿時(shí)膝關(guān)節(jié)和腳踝關(guān)節(jié)屈伸運(yùn)動(dòng)時(shí)的運(yùn)動(dòng)原理，設(shè)計(jì)一個(gè)可以實(shí)現(xiàn)患者下肢六個(gè)關(guān)節(jié)的康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)。步態(tài)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)整個(gè)下肢的運(yùn)動(dòng),姿態(tài)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)下肢踝關(guān)節(jié)的位姿運(yùn)動(dòng)。 通過功率驅(qū)動(dòng)電路,來驅(qū)動(dòng)控制步態(tài)機(jī)構(gòu)和姿態(tài)機(jī)構(gòu)的兩個(gè)電機(jī),從而達(dá)到驅(qū)動(dòng)控制下肢康復(fù)機(jī)器人的目的。 選用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)方式。步態(tài)電機(jī)和姿態(tài)電機(jī)都采用伺服電機(jī)，伺服驅(qū)動(dòng)器總是與其對(duì)應(yīng)的同等功率的伺服電機(jī)一起配套使用。通過脈沖輸入接口來接受從上位控制器發(fā)來的脈沖序列，進(jìn)行速度和位置的控制，通過數(shù)字量接口信號(hào)來完成驅(qū)動(dòng)器運(yùn)行的控制和實(shí)時(shí)狀態(tài)的輸出。 14 2.6機(jī)
7、械部分總體結(jié)構(gòu) 它由大電機(jī)1、小電機(jī)2、磁粉制動(dòng)器3、底座4、座架5、把手6、操作臺(tái)7、箱體8、連桿9、同步帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)10、踏板11組成。 2.7 系統(tǒng)控制部分 所述控制系統(tǒng)獨(dú)立于機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)，通過數(shù)據(jù)線與機(jī)器人本體連接在一起，并進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練控制，包括硬件和軟件，所述硬件部分包括計(jì)算機(jī)和與其數(shù)據(jù)線分別連接的顯示器，多軸運(yùn)動(dòng)控制卡，驅(qū)動(dòng)器、位置傳感器和力傳感器，所述位置傳感器有四個(gè)，分別集成在四個(gè)直流伺服力矩電機(jī)力矩電機(jī)內(nèi)，通過數(shù)據(jù)線輸出膝關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)信息，所述力傳感器有四個(gè)，分別安裝在所述左、右大腿機(jī)構(gòu)和左、右小是機(jī)構(gòu)的柔性連接帶中，用于通過數(shù)據(jù)線輸出患者下肢與機(jī)器人之間的干涉力。所
8、述軟件包括用戶模塊、實(shí)時(shí)控制模塊和康復(fù)效果評(píng)價(jià)模塊。 總結(jié) 首先根據(jù)人體參數(shù)和步態(tài)軌跡對(duì)下肢康復(fù)機(jī)器人工作空間進(jìn)行了分析,然后根據(jù)康復(fù)機(jī)器人總體設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)了總體方案,步態(tài)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)整個(gè)下肢的運(yùn)動(dòng),姿態(tài)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)下肢踝關(guān)節(jié)的位姿運(yùn)動(dòng)。最后設(shè)計(jì)出腳踏式下肢康復(fù)機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)。 參考文獻(xiàn)1李軍強(qiáng),王娟,趙海文,等.下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)分析J.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2013(9):220-223.2郭素梅,李建民,吳慶文,等.Lokomat全自動(dòng)機(jī)器人步態(tài)訓(xùn)練與評(píng)定系統(tǒng)的應(yīng)用J.中國醫(yī)療設(shè)備,2011,26(3):94-96.3馬素慧,劉丹,郝正偉,等.Lokomat康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人對(duì)腦卒中患者下肢運(yùn)動(dòng)功
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