下肢外骨骼康复训练机器人设计及其运动角度测量研究.doc

1、 毕 业 论 文论 文 题 目 下 肢 外 骨 骼 康 复 训 练 机 器 人 设 计及 其 运 动 角 度 测 量 研 究 专 业 自动化 下肢外骨骼康复训练机器人设计及其运动角度测量研究 摘 要 外骨骼研究已成为国内外机器人技术领域研究的热点。外骨骼康复机器人则旨在利用机器人原理，把智能控制与人体运动相结合，借助外骨骼康复机器人的标准化的重复运动，可以促进神经功能重塑，最终达到恢复患者运动及控制能力的目的。基于这一应用背景，本课题在结合康复医疗医学的基础上进行了针对外骨骼机器人机械设计以及实时运动角度监测系统的研究。本文深入分析了康复训练机器人国内外的研究现状，并结合康复医学理论，提出了下

2、肢外骨骼康复训练机器人的机械设计方案。其主要设计内容包括下肢外骨骼机器人的髋关节、膝关节以及外骨骼连杆设计。所设计的外骨骼下肢康复机器人都具有 2 个自由度。另外，本文设计了用于测量下肢外骨骼康复训练机器人膝关节的运动角度实时监测系统。该监测系统由信号采集模块、信号处理模块、无线发送模块以及上位机软件接收处理模块组成。将编码器构成的信号采集模块所得到的运动角度的信息，经过信号处理模块进行转化处理之后，通过无线发送模块，传送给上位机软件，并在上位机软件上进行实时展现，完成实时角度监测的目的。关键词 下肢外骨骼机器人；无线传输；康复；实时角度监测系统 Study of Rehabilitation

3、 Lower Limb Exoskeleton Training Robot Design and Movement Angle Measurement Abstract：Research on exoskeleton has become hotspot of robotic technology at home and abroad. The rehabilitation robot，which combines the intelligent control with human motion，can be trained repeated in standardized actions

4、，which are helpful to the nerve systems rehabilitation. Finally，the motion and the control of the limb will be recovered. Based on this background， the machine design of the rehabilitation exoskeleton robot and the real-time angle monitoring system were developed to help humans limb rehabilitation t

5、raining based on the principle of the rehabilitation.This paper analyzed the domestic and international development status about the rehabilitation exoskeleton robot，and discussed the machine design of the lower limb rehabilitation robot according to related medical theory. The main design elements

6、are the design of hip, knee and the link of the exoskeleton robot. The lower limb rehabilitation exoskeleton robot is two degrees of freedom.In addition, this paper designed for measuring the lower limb exoskeleton rehabilitation training robot real-time monitoring system for the movement of knee jo

7、int Angle. The monitoring system consists of a signal processing module receives the acquisition module, a signal processing module, a wireless transmission module and the PC software. After the signal acquisition module of an encoder of the resulting angle of movement of information, via the signal

8、 processing module conversion process, and via wireless transmission module, the message transmitted to the PC software, and real-time show on the PC software. The purposes of real-time angle monitoring are completed. Keywords： lower limb exoskeleton robot; wireless transmission; recovery; real-time

9、 angle monitoring system 目 录1 绪论 .11.1 文献综述 .11.1.1 研究背景与意义 .11.1.2 国内外相关研究现状 .41.1.3 外骨骼康复机器人的技术因素分析 .71.2 研究框架 .101.2.1 本文主要研究内容 .101.2.2 系统设计创新点 .111.3 术语说明 .122 下肢外骨骼康复训练机器人机械设计 .132.1 下肢外骨骼机器人机械设计 .142.1.1 下肢外骨骼机器人设计思路 .142.1.2 髋关节设计 .162.1.3 膝盖关节设计 .172.1.4 外骨骼连杆设计 .182.1.5 机构受力分析 .202.1.6 效果图

10、 .213 机器人运动角度实时监测系统 .233.1 角度实时监测系统综述 .233.1.1 系统功能要求 .233.1.2 系统总体设计方案 .233.2 信号采集模块 .253.2.1 编码器工作原理 .263.2.2 接线介绍 .263.3 信号处理模块 .273.3.1 信号处理模块工作原理 .293.3.2 模块主程序设计 .313.4 基于 WIFI 的无线传输模块 .353.4.1 无线局域网简介 .363.4.2 IEEE802.11 协议介绍 .383.4.3 Socket 通信 .423.4.4 无线传输模块 .443.5 上位机软件接收处理模块 .463.5.1 上位机软

11、件工作过程 .463.5.2 上位机界面设计 .473.5.3 上位机软件程序设计 .484 系统测试与实验验证 .524.1 膝关节角度实时测量实验步骤 .534.2 实验数据 .54结论 .58致谢 .60参考文献 .61下肢外骨骼康复训练机器人设计及其运动角度测量研究11 绪论1.1 文献综述1.1.1 研究背景与意义机器人集机、电、材料、计算机、传感器、控制技术等多门学科于一体，是一个国家高科技实力和发展水平的重要标志。而随着社会科技水平的不断提高，机器人技术已经应用在社会的各个领域，工业、农业以及服务业等领域的快速发展离不开机器人的广泛应用以及高效率的参与；并且随着社会的需求以及相关

12、领域的应用研究程度不断加深，将机器人技术运用至医疗领域，从而实现辅助医生进行相关的医疗诊断、手术以及帮助患者进行后续相关康复治疗等功能的呼声越来越高。医疗机器人技术是集医学、生物力学、机械学、机械力学、材料学、计算机图形学、计算机视觉、数学分析、机器人等诸多学科为一体的新型交叉研究领域，具有重要的研究价值，在军用和民用上有着广泛的应用前景，是目前机器人领域的一个研究热点。医疗机器人主要用于伤病员的手术、救援、转运和康复。是医疗卫生装备信息化、智能化的重要发展方向之一。并且，近几十年来，计算机技术、人工智能理论与实践的进步、集成电子电路高速发展、先进的微型机电设备和新型传感器等领域的突破，带来了

13、机器人技术前所未有的发展机遇。这些突破性的新技术也为医疗机器人产业的迅速崛起奠定了基础。下肢外骨骼康复训练机器人设计及其运动角度测量研究2医疗机器人的快速发展有其存在的必然性。随着全球各国逐渐步入老龄化社会，脑血管病也逐步成为人口死亡原因最高的疾病之一。在我国已经“七五”、“八五”、“九五”、多次攻关的努力，目前仍是我国“十五”攻关的重大项目。从全球情况分析也不例外，据 WHO在 1979年对 57个国家的调查，脑血管病被列为死亡原因前三位的占 40个国家。根据国家卫生部的统计，脑血管病居人口死亡原因的第二位，而存活的患者均遗留了不同程度的偏瘫后遗症，主要表现为使患者失去原有自主运动及生活能力

14、的面瘫、偏瘫、语言表达障碍、视力障碍等，其中偏瘫是中风后最常见的症状，给患者的家庭和社会带来了沉重的负担。因此，对脑血管病后偏瘫患者的治疗以及相关康复训练等工作就显得尤其重要和紧迫，并且具有着非常重要的社会意义，相关学科的专家学者正在为改进医疗康复方法和提高医疗康复效果进行着不断的研究。脑卒中，或称脑中风，是指脑部血管发生急性损伤导致的疾病。其后遗症主要表现为使患者失去原有自主运动及生活能力的偏瘫、面瘫、视力障碍、语言表达障碍等，其中偏瘫是中风后最常见的症状。根据国家卫生部的统计，脑血管病居人口死亡原因的第二位，而存活的患者均遗留了不同程度的偏瘫后遗症，给患者的家庭和社会带来了沉重的负担。因此

15、，对脑血管病后偏瘫患者的治疗和康复就显得尤为重要和急迫，相关学科的学者们也在为改进康复方法和提高康复效果进行着不断的研究，偏瘫后肢体运动能力的恢复是康复医疗领域的重要主题。运动疗法是康复医学的主要治疗手段，通过对偏瘫患肢进行运动康复治疗来维持患肢的关节活动度、下肢外骨骼康复训练机器人设计及其运动角度测量研究3防止患肢肌肉萎缩、增强患肢肌力、促进患肢功能的恢复。临床康复中进行上肢运动治疗时，医师通常以徒手方式或借助机械器具对患肢进行一对一的连续被动训练，反复的引导患者患肢运动直到其能够复现正常的动作。在训练过程中，治疗医师的主观意识、体力及心情等因素起到了主导作用，加之患者病发后引起的语言及认知

16、功能的损伤，削弱了医师与患者之间针对康复治疗过程的交互作用。因而，传统的临床运动康复治疗具有康复效率低下，医师劳动强度大，患者参与意识低、训练效果及评价结果容易受到医师主观意识影响等局限。 康复机器人系统是将机器人技术引入临床康复医学领域而产生的一种辅助或替代医师完成患肢康复训练的特种机器人系统，其出现为上肢偏瘫康复开辟了新的技术途径，弥补了临床运动治疗的上述诸多不足。上肢康复机器人打破了医患之间一对一的局限，不仅将医师从繁重、反复的训练任务中解脱出来使其更加专注于治疗方案的改进，而且使得集中康复医疗和远程康复医疗成为可能；另外，康复机器人通过智能人机接口，可对处于不同康复期的患者提供不同强度

17、，不同模式的训练，激励患者的主动运动意识，增强患者的康复信心；利用康复机器人提供的各类传感器测量人体运动学、生理学数据，为医师改进和优化康复方案提供了客观依据。因而，上肢康复机器人系统的研究、发展将促进医学、工学的资源互补，对学科的交叉发展和社会康复事业的进步具有重大现实意义。从 20世纪 90年代起，国际先进机器人计划 (IARP)已召开过多届医疗外科机器人研讨会，在发达国家已经出现医疗机器人市场化产品。目前，下肢外骨骼康复训练机器人设计及其运动角度测量研究4先进机器人技术在医疗外科手术规划模拟、微损伤精确定位操作、无损伤诊断与检测、病人安全救援、无痛转运、康复护理、功能辅助及医院服务等方面

18、得到了广泛的应用，这不仅促进了传统医学的革命，也带动了新技术、新理论的发展。医疗机器人在战创伤救治方面也有着良好的应用前景，受到外军的广泛重视。然而就国内而言，医疗机器人技术的相关研究才刚刚起步，相关技术的研究还面临着许多困难，特别是康复医疗机器人的研究领域还处于较低的一个水平，需要一个很大的提升空间。随着世界上人口增长，老龄化人口越来越多，脑卒中的发病人数也将大大增加，康复医疗机器人的研究，将为他们的康复带来更多希望，可以大大减轻巨额康复治疗费用带来的社会与家庭经济负担。1.1.2 国内外相关研究现状康复医疗机器人作为先进制造业自动化领域的一个重大方向和专题，并且随着目前机器人技术、先进控制技术、计算机技术、传感技术、生物医学、人工智能技术等的发展，康复机器人技术也在近几年获得了很大进步，成为机器人领域与康复医学领域的研究热点 23。自从 20世纪 60年代初期出现了第一台康复机器人 CASE9I以后，直到 70年代中期，对康复机器人技术的研究才 始发展起来。20 世纪 80年代是康复机器人研究的起步阶段，1990 年前主要分布在北美、英联邦、加拿大、欧洲大陆和斯堪的纳维亚半岛及日本，1990 年后康复机器人的研究进入全面发展时期。1995 年，美国 Hogen和 Krebs等研制的 M1T脑神经