康復(fù)機(jī)器人的系統(tǒng)設(shè)計(jì)【輔助下肢有運(yùn)動障礙】

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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?？祻?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。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?？祻?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?？祻?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?？祻?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，如圖哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文21.1、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。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 1.3MGT 型康復(fù)機(jī)器人 圖 1.4LOKOMAT 機(jī)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(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由度機(jī)械臂，由兩個伺服電機(jī)驅(qū)動7(圖 1.5） 。圖 1.5robotic 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1.6BLEEX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?，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。哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文5圖1.7HAL機(jī)器人圖1.8Power 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。哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文6圖1.9NPH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。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。正常人在行走時(shí)腳在一個步態(tài)周期內(nèi)的運(yùn)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(shí)期，支撐期和擺動期。支撐期是當(dāng)腳和地面接觸的時(shí)間，它占了一個步行周期的62%。擺動期是腳在空中的時(shí)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(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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)期，即從對側(cè)足足趾離地至對側(cè)足足跟著地的時(shí)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(shí)期，即從被測足足趾離地至同側(cè)足跟著地的時(shí)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(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(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(shí)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10在一個步態(tài)周期的各個時(shí)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(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(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-700 。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-2030 。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（角度、力矩）和人體行走時(shí)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。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。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。減重機(jī)構(gòu)在人體行走時(shí)提供的是一個恒力，它由一個氣缸通過滑輪驅(qū)動。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。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)哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文13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)。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。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(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：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。2.2.2基本參數(shù)的選取下肢康復(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(shí)關(guān)節(jié)范圍一致。為了安全，機(jī)器人的關(guān)節(jié)運(yùn)動范圍一般要小于人體關(guān)節(jié)運(yùn)動范圍的最大值。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。哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文14表表 2.1各關(guān)節(jié)的運(yùn)動范圍（各關(guān)節(jié)的運(yùn)動范圍（）關(guān)節(jié)活動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)活動最大值髖關(guān)節(jié)向前伸展32.245119髖關(guān)節(jié)向后伸展-22.5-30-70膝關(guān)節(jié)向前伸展000膝關(guān)節(jié)向后伸展-73.5-80-136踝關(guān)節(jié)背曲14.13046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(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?，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(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。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(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15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(shí)，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(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):可避免出現(xiàn)實(shí)驗(yàn)對象單一化，擴(kuò)大使用對象;有利于關(guān)節(jié)同軸度的調(diào)整，避免運(yùn)動干涉現(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)對象(人體下肢各段)的重量。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(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。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)。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?？紤]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16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(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)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。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)動元件的選型，對機(jī)械下肢的運(yùn)動學(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。表表3.1中國青年幾何統(tǒng)計(jì)表數(shù)據(jù)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)是要帶動人的下肢進(jìn)行關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的，所以機(jī)器人下肢的旋轉(zhuǎn)角度和運(yùn)動靈活性也要和人行走時(shí)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(shí)關(guān)節(jié)活動角度數(shù)據(jù)而定的。3.2各關(guān)節(jié)運(yùn)動學(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183.2.1 踝關(guān)節(jié)的運(yùn)動學(xué)分析圖 3.1所示為下肢踝關(guān)節(jié)的運(yùn)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，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， 為關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)過的角度。圖3.1踝關(guān)節(jié)運(yùn)動學(xué)模型其中L1=110，L2=313，L3=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）2122213232221arctancos2LLLLLLLLL計(jì)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(yùn)動學(xué)分析圖3.2所示為下肢膝關(guān)節(jié)的運(yùn)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，L3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，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)動學(xué)模型其中L1=110，L2=402，L3=171，=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350500，行程為150。R的最小值為110。3.2.3 髖關(guān)節(jié)的運(yùn)動學(xué)分析圖3.3所示為下肢髖關(guān)節(jié)的運(yùn)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，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，為關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)過的角度。其中1=60，L2=340，L3=135，=120，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，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123x向?yàn)槌跏嘉恢?，圖中所示角度的轉(zhuǎn)向?yàn)檎颉⒎謩e為大腿和小腿的長度 1l2l、分別為大腿、小腿和足的質(zhì)心 1c2c3c、分別是大腿、小腿和足的質(zhì)心到相應(yīng)關(guān)節(jié)的距離。1l2l3l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1111211223112233cos( coscos)( coscoscos)Tm glm g llm g lll （3.3） 222232233cos( coscos)Tm glm g ll（3.4） 3333cosTm gl（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。1m2m3m 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)零哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文22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(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） 。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233.4.3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，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(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。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 3.10Pro-E 實(shí)體效果圖哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文253.5一些零件的設(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載荷C=13.2kN，預(yù)期壽命L=500小時(shí)。最大當(dāng)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Lh（單位為小時(shí))為LPCLh66102n6010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公司提供的型號選用的，221.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(fù)載力F，負(fù)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= 22dDP（3.6） 和F推= 222dd-DP（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)?？諝鈮嚎s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)。（1）空氣壓縮機(jī)的輸出壓力a （4.1）pppa式中a空壓機(jī)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。p本設(shè)計(jì)中=0.6MPa，=0.150.2MPa，由公式（4.1）可得：pa=0.750.8MPa（2）空氣壓縮機(jī)的吸入流量qa （4.2）bakqq 式中qa空壓機(jī)的吸入流量，m3/min (ANR)；qb氣動系統(tǒng)的平均耗氣量，m3/min (ANR)；k修正系數(shù)，k=1.52.0。本設(shè)計(jì)中qb=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. 0111111KnKaappqpKKnP（4.3）式中P空壓機(jī)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(jī)的吸入流量，m3/min (ANR)；n中間冷卻器個數(shù)。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=1.35kW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，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40 C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表表4.1風(fēng)冷式后冷卻器（風(fēng)冷式后冷卻器（HAA22）的技術(shù)參數(shù)）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（）C3300 1.0 225100 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型號主路過濾器，主要參數(shù)見表4.2。 表表4.2AFF22B主路過濾器的主要參數(shù)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 35000.151.00.0125604、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(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，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，它的主要參數(shù)如表4.3。 表表4.3IDG-H的技術(shù)參數(shù)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)（）C0.31.0 -550251000 3110 -405、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(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設(shè)備的安全。這里估算氣罐的容積V 21maxa60PPtqPV（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(shí)，氣罐內(nèi)的壓力，單位：MPa；1p大氣壓力，取MPa；ap0.1ap 停電后，應(yīng)維持氣動系統(tǒng)正常工作時(shí)間，單位：s。t式中=100L/min，=0.6MPa，=1MPa，t=20s，可得Vmin=10L。maxq2P1p氣罐選擇了SMC公司的AT6C型號，技術(shù)參數(shù)見表5.4。 表表4.4 AT6C的技術(shù)參數(shù)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 5.51001.001006、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0.35m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。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。 表表4.5AM550主路過濾器的主要參數(shù)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 35000.051.00.0255608、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。表表4.6AMF550主路過濾器的主要參數(shù)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 35000.051.00.0155609、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3810、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。 表表4.7IR3120的技術(shù)參數(shù)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1.00.10.010.80.010.80.5% 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?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(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，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4.8VEF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 11.013 DC2410% 05013、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(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）主動方式 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。（2）被動方式 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。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(shí)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40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(shí)，形11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)uu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(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414.4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)。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(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：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)指標(biāo)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(shí)現(xiàn)單邊髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)及踝關(guān)節(jié)的運(yùn)動訓(xùn)練，總共采用7個自由度。2.結(jié)合康復(fù)器械的運(yùn)動特點(diǎn)，比較多種驅(qū)動器的利弊，選用氣缸作為康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的驅(qū)動器。選擇氣缸的型號，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)動的合適的零件，設(shè)計(jì)計(jì)算零件的型號和尺寸。考慮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.針對機(jī)器人的驅(qū)動方式和應(yīng)用場合，對供氣系統(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(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）：100-1052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）：293-2943Hogan 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Kazerooni，Jean-Louis Racine，Lihua Huang，and Ryan Steger.On the Control of the Berkeley Lower Extremity Exoskeleton (BLEEX).Proceedings of the 2005 IEEE International Conference on Robotics & Automation Barcelona，Spain，April 2005哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文4520譚冠政，尉忠信，朱劍英空間型兩足步行機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)建模研究J航空學(xué)報(bào)，1992，13（12）：1-821陳東輝，佟金，張書軍，陳秉聰人和動物的步態(tài)與步行機(jī)器人J中國農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)會成立40周年慶典暨2003年學(xué)術(shù)會論文集，2003，3:22-2322胡宇川人體下肢外骨骼工作機(jī)理研究D南京：南京理工大學(xué)，200623王斌銳.異構(gòu)雙腿行走機(jī)器人研究與開發(fā)J.沈陽：東北大學(xué)，2005.24蔡自興.機(jī)器人學(xué)M.北京：清華大學(xué)出版社，2000年9月25南斯拉夫麥沃曼爾.伍科布拉托維奇 著，馬培蓀，沈乃勃 譯.步行機(jī)器人和動力型假肢.科學(xué)出版社1983年7.26機(jī)器人技術(shù)手冊.日本機(jī)器人學(xué)會編.科學(xué)出版社，1996年10月.27戢敏，袁中凡，林大全.仿真假人人體參數(shù)的計(jì)算和分析J.中國測試技術(shù)，第4期 2003年7月.28張立勛，趙凌燕下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的重心軌跡控制研究J應(yīng)用科技，2005，429Ounpu S.Terminology for clinical gait analysis (Draft #2). Prepared by American Academy of Cerebral Palsy Developmental Medicine Gait Lab Committee and distributed at North American Clinical Gait Lab Conference， Benson Hotel,Portland,Ore.April 6-9,1994.30 Inman V，Ralston HJ，Todd F.Human walking.Baltimore：Williams & Wilkins,1981.31鄭秀瑗.運(yùn)動生物力學(xué)進(jìn)展M國防工業(yè)出版社，1998：82-9232SMC（中國）有限公司現(xiàn)代實(shí)用氣動技術(shù)M北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005：65-105，316-328，384-391.33徐炳輝氣動手冊M上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，2005：38-45，50-54，155-158哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文46哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文47致謝本論文是在隋立明老師的悉心指導(dǎo)與親切關(guān)懷下完成的。在整個課題設(shè)計(jì)過程中，老師在課題方向的正確把握，對課題前沿研究成果的密切追蹤，避免了我走很多彎路。老師嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)、誨人不倦的治學(xué)態(tài)度、以及敏銳的思維和一絲不茍的科研精神，使我受益匪淺。老師在課題研究的過程中對我的耐心的指導(dǎo)，更令我終身難忘。值此論文完成之際，謹(jǐn)向老師致以誠摯的感謝!在此還要熱情的感謝所有的代課老師們，你們認(rèn)真細(xì)心的教導(dǎo)使我掌握了論文設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識?？傊兄x所有幫助、關(guān)心和支持我的老師們、同學(xué)們和朋友們！哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文48目錄第第 1 章章緒論緒論.11.1概述.11.2康復(fù)機(jī)器人的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀.21.3本課題主要研究內(nèi)容.7第第 2 章章總體方案設(shè)計(jì)與選擇的論證總體方案設(shè)計(jì)與選擇的論證.82.1步態(tài)分析.82.2方案的選擇.112.2.1自由度的設(shè)計(jì).132.2.2基本參數(shù)的選取.132.2.3驅(qū)動器的選擇.142.2.4關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的選擇.142.2.5連桿結(jié)構(gòu)的選擇.142.2.6腰部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).152.2.7減重機(jī)構(gòu).152.2.8整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).162.3本章總結(jié).16第第 3 章章機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與計(jì)算及驅(qū)動元件選型機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與計(jì)算及驅(qū)動元件選型.173.1人體參數(shù).173.2各關(guān)節(jié)運(yùn)動學(xué)分析.173.2.1 踝關(guān)節(jié)的運(yùn)動學(xué)分析.183.2.2 膝關(guān)節(jié)的