1、开封大学毕业论文1第 1 章 绪论1.1 概述康复机器人是近年出现的一种新型机器人，它的主要作用有两方面，一是帮助由于疾病而造成偏瘫，或者因意外伤害造成肢体运动障碍的人恢复提高运动能力，称为康复训练机器人是作为一种辅助装置代替失去运动能力的肢体完成一部分动作，称为机器人假肢。康复机器人作一种自动化设备，可以帮助患者进行科学而又有效的康复训练，使患者的运动机能得到更好的恢复。康复机器人由计算机控制，并配有相应的传感器和安全系统，可以自动廉价康复训练效果，根据病人的实际情况自动调节运动参数，实现最佳训练。康复机器人在原理上和工业机器有很大的区别，它也不限于一般的体育运动训练器材。它直接作用于人体，
2、与人在同一个作业空间工作，人与机器人作为一个整体而协调运动。康复机器人成果包括以下三方面技术：手部康复训练机器人：手及腕部康复训练。手臂康复训练机器人：手臂康复训练。下肢康复训练机器人：行走功康复训练。康复机器人技术得以传化为产品对于提高患者康复质量，减少患者的病痛，减轻社会负担具有重要的实际意义。由于各种原因而患有一侧肢体运动障碍的患者人数很多，随着生活水平的提高对康复治疗的需求也会越来很大，康复机器人将有很好的市场前景。这项技术在欧美等国家自得到普遍重视，康复机器人成果的转化可能会带动一个新兴的机器人产业的发展，这将对国民经济的发展发挥重要作用。1.2 下肢康复机器人研究现状1.2.1 康
3、复机器人的生产发展康复机器人是帮助残疾人解决生活中活动困难的一种工具，它可以在家开封大学毕业论文2里或在工作场所使用，使残疾人获得更强的生活能力，并相当大地提高他们的生活质量。康复机器人现在已经由科学幻想走进了现实生活之中过去几年，康复机器人在欧洲已经有所发展，一些欧洲企业在技术开发及投资方面给予了支持目前已有两种康复机器人打人了市场，即Hmdv l及MANus，它们都是欧洲生产的Handy 1有5个自由度，残疾人可利用它在桌面高度吃饭；MANUs是一种装在轮椅上的仿人形的手臂，它有6(或7) 个自由度，其工作范围可由地面到人站立时达到的地方，不过，康复机器人进人市场的过程却非常缓慢，许多人仍
4、然把它看作是一项未来的技术 显然，要想在实际生活中很好地利用康复机器人。除了技术因素之外，还受到一些其他因素的影响。下肢康复训练机器人是根据康复医学理论和人机合作机器人原理，通过一套计算机控制下的走步状态控制系统，使患者模拟正常人的步伐规律作康复训练运动，锻炼下肢的肌肉，恢复神经系统对行走功能的控制能力，达到恢复走路机能的目的。根据机器人技术的发展水平，一般具有以下三种结构第一种是彻底结构化的控制平台，类似于桌面工作站，将机械手安装在固定的控制平台上，完成在固定工作空间内的操作；第二种结构是将机械手安装在轮椅上，这样就可以在任何地域使用，但这导致了机械手刚性下降，抓取的精度往往达不到要求，而且
5、这种方法只适合于那些可以用轮椅的人。第三种机构是将机械手安装在自主或半自主车辆上。下肢康复机器人属于运动训练机器人，下肢康复训练机器人的主要工作任务就是能够模拟真人的步态姿态，来实现对病人下肢的康复训练。在整个机器人的工作过程中，主要是通过机器人的运动来带动病人瘫痪的下肢，使其在牵引力的作用下能够完成对正常人的步态的模拟，从而达到对下肢的肌肉锻炼目的，进而达到能够恢复神经系统对行走功能的控制能力，进一步的达到恢复整个行走机能，最终能够是病人进早的在病痛中脱离出来。已有研究表明，儿童能通过操作电动轮椅适当提高视觉、空间的技能和运动能力，开封大学毕业论文3同样可以用类似的器械来提高老年人甚至成年人
6、的运动能力。如对运动员运动损伤的康复治疗、针对性辅助训练，以及像宇航员这种特殊职业的模拟训练等。国外在这一领域已经有了较广泛的研究与应用，国内尚处于起步阶段。随着体育和职业教育两大产业的发展，机器人在这一领域的应用前景将十分广阔。 1.2.2 国内外发展现状1987年，英国Mike Topping公司研制成功了Handy1康复机器人样机，它是目前世界上最成功的一种低价、市售的康复机器人系统，目前正在生产的Handy1机器人由 5自由度机器人手臂和新型控制器组成，具有话音识别、语音合成、传感器输人、手柄控制以及步进电机控制能力。Handy1具有很强的通话能力，它可以在操作过程中为护理人员及用户提
7、供有用的信息，所提供的信息可以是简单的操作指令或有益的指示，可以用任何一种欧洲语言表达出来。这种装置可以大大提高Handyl方便用户的能力，而且有助于突破语言的障碍。MANUS是另外一种进人市场的康复机器人，由荷兰Exact Dynamics公司开发，该手臂具有7个自由度，包括6个旋转自由度和1个机械手。图1.1所示是瑞士苏黎世联邦工业大学（ETH）的名为LOKOMAT的康复机器人。图1.2是美国Rutgers大学踝关节康复训练机器人 3。国外关于医学机器人的研究虽然已取得了不少成就，但离生物机器人还有相当的距离，因此还有很多工作要做。国内关于这方面的研究较少，主要是集中在假肢领域。国内只有哈
8、尔滨工程大学机点一体化研究所在这领域取得了一定的成果。成功研制出了多功能手臂康图 1.2 美国 Rutgers 踝关节康复训练机器人开封大学毕业论文4复训练机器人，下肢康复训练机器人复训练机器人，下肢康复训练机器人， 卧式下肢康复训练器等，并获得了专利。1.3 下肢康复机器人的主要目的及现实意义研究下肢康复训练机器人，主要是对于要进行下肢康复训练的人来说，下肢康复训练机器人可以控制使其模拟正常人的行走姿态、膝关节和踝关节的协调运动，实现对下肢的康复训练，下肢康复训练机器人可以模拟正常人的步伐规律、锻炼下肢的肌肉，恢复神经系统对行走能力的控制，达到恢复走路机能的目的。从总体上来看，下肢康复训练机
9、器人的总体工作目的就是为了能够使下肢需要进行康复训练的人能够更加方便的，更轻松的达到训练的目的，对下肢的康复训练起到辅助的作用。从总体上来看，研究下肢康复训练机器人的最大的受益者就是下肢康复训练有难度的病人，他可以帮助病人进早的从病痛中摆脱出来，及早的恢复健康的身体，这些是研究的直接原因和动力。从另一方面来看，对于下肢康复训练机器人的研究在对以后研究其他的类似康复机器人的时候，他有很多的研究成果都是可以直接被后续的工作所应用的。为其他的研究工作打下了一个很好的基础，为以后的工作的延续提供了一个基础平台。站在医院的角度来看，康复机人的研究给他带来了实在的好处。一方面可以减少工作护理人员的负担，同
10、时还可以是病人能够运动的更加的方便。图1.1 ETH 的LOKOMAETH的LOKOMAT开封大学毕业论文51.4 关于下肢康复训练机器人踝关节驱动系统设计的分析1.4.1 下肢康复训练机器人基本结构下肢康复训练机器人外观结构如图1.3，它由机座、左脚走步状态控制系统、右脚走步状态控制系统、左脚姿态控制系统、右脚姿态控制系统、框架、导轨、重心平衡系统、活动扶手等组成。受训练者的双脚站在走步状态控制系统的脚踏板上，穿好承重背心，背心通过吊缆和机座内的重力平衡机构相连，以平衡受训练者的部分体重，吊缆的长度通过缆长调整机构和缆绳来调整。当机器人开始工作后，走步状态控制系统在计算机的控制下带动受训练者
11、的双腿做走步运动，重心控制系统根据受训者的走步状态，自动计算重心的高低变化，通过吊缆实时调节重心的高低并具有防止摔倒的功能。脚踏板由左右两块踏板组成，它在步态控制装置的控制下，与重心平衡机构协调工作帮助患者进行走步运动练。步态控制装置主要由主动曲柄、脚踏板(连杆)和滑轮组成。主动曲柄由直流伺服电机控制，脚跟随踏板一起被动运动，形成一个椭圆轨迹，产生与正常人行走轨迹相近的运动轨迹，同时由于脚跟随踏板运动，患者的小腿和大腿处于相应的运动状态。由两套步态装置分别控制两条腿的走步状态，两者之间成 相位关系，走步的速度通过控制电机的转速来调整，步幅则180通过改变主动曲柄的工作半径来调节。脚的姿态控制系
12、统是由直线伺服机构实现的，通过控制脚踏板绕踏板轴回转运动的角度，来模拟正常人走路时踝关节的姿态变化 4。图 1.3 下肢康复训练机器人外观结构图开封大学毕业论文61.4.2 踝关节驱动系统设计的整体思路踝关节驱动系统的结构方案是由圆柱凸轮加一从动杆组成的机构来实现的，这个机构可以把直流伺服电动机的回转运动转化为踝关节的往复倾斜运动，并能够保证驱动的脚踏板俯仰角度与踝关节俯仰的角度互相一致，在 之间。通过圆柱凸轮的转动就可以带动脚踏板的运动，从而迫使2530踝关节运动，实现驱动。凸轮的运转则与直流伺服电机相连。直流伺服电机在单片机的控制下进行速度、位置和角度的协调控制，以适应不同状态的康复训练控
13、制单片机与执行机构之间经过调速器、PWM放大器以及光电耦合隔离，减少干扰，并设计专门的IO接口电路板对信号进行放大整形等处理。1.4.3 本设计的主要任务和要求本课题的任务就是设计下肢康复训练机器人踝关节的驱动系统。包括完成整体机械部分的机构设计和完成整个设计的三维实体仿真。用 Pro/E 软件绘制三维造型，通过动态模拟以检验能否实现预定功能。通过整体的结构设计，掌握下肢康复训练机器人的研究的基本方法。开封大学毕业论文7第 2 章 机构总体设计2.1 引言下肢康复机器人踝关节驱动系统，是对下肢具有运动障碍的患者进行主动康复训练的自动化机械装置，此时患者是被动运动，它可以帮助腿部运动有障碍的患者
14、进行运动机能恢复性训练。通过计算机自动控制患者的重心和走步状态，模拟正常人的走路状态，使病腿的运动功能得到训练。本课题研究的主要任务是完成下肢康复机器人的脚踝的机械本体设计，它是整个下肢康复训练机器人的一部分，安装在下肢康复训练机器人的连杆上，以便协调地训练整个下肢来达到康复训练的目的。作为帮助有下肢运动障碍的病人进行康复训练的机器人，首先，应该具有合理的结构，能够模拟正常人的行走运动，尽量仿真人体的运动规律，尽量与人体各个关节的速度变化曲线相吻合，为病人进行下肢机能恢复训练提供帮助，使病人在康复训练过程中感到舒适。其次，考虑到机器人的工作对象是行动不便的病人，需要提高机器人的可靠性和安全性，
15、尽可能地保证患者的安全。最后，该机器人属于康复机器人，应该保证无污染和清洁，以利于病人的康复。2.2 机构的性能指标和总体方案2.2.1 机构的性能指标下肢康复机器人是对下肢具有运动障碍的患者进行主动康复训练的自动化机械装置，它可以帮助因中风等疾病或因外伤引起的腿部运动障碍进行运动机能恢复性训练。由于患者的步态跟正常人的步态是一致的，所以必须按照正常人的步态周期来设计脚踏板的俯仰角度，速度变化规律等参数。而由于患者的行走速度肯定会比正常人的速度要慢很多，所以不能够按照正常人的步速去设计机构。下肢康复机器人姿态机构的性能应达到如下主要技术指标：开封大学毕业论文81自由度：绕踏板转轴的转动，整个机
16、构往复运动；2承载能力：加上设备 80kg 左右，应不低于此数；3行走速度：每分钟走 25 步（可以根据具体情况调整） ；4俯仰角度： ，模仿正常人脚踝姿态自动控制。302.2.2 机构总体方案下肢康复机器人机构由很多不同功能的部分构成，本文仅对踝关节驱动系统结构进行讨论：机器人本体：脚踝驱动机构；控制器：本设计控制部分的设计目的是控制机构实现踝关节的运动规律。控制部分主要由单片机来实现的。该装置采用单片机控制，通过行程指令、速度指令和力矩指令给定控制信号，经过 PWM 放大器进行放大后，驱动伺服电机转动，并通过传感器及电流传感器对电机输出轴的位置、速度及力矩进行测量反馈，与整个下肢康复训练机
17、器人各部分协调运动，从而构成闭环控制系统。本文的研究内容主要就是踝关节驱动系统，机械本体机构来实现脚踏板的俯仰摆动，帮助患者在康复运动中时实现脚踝的运动。 2.3 机械本体部分设计2.3.1 总体设计机械设计时应满足的基本要求：根据生产及生活的需要不同，设计的机械种类也不尽相同，但设计时应满足的基本要求是相同的，这些基本要求是：1. 使用功能要求：就是要求所设计的机械应具有预定的使用功能，即能够保证执行机构实现所需的运动，又能保证组成机械的零，部件工作可靠，有适当的寿命，而且使用，维修方便。这是机械设计的基本要求。2. 工艺性要求：所设计的机械无论总体方案还是各部分的结构方案，在满足使用要求的
18、情况下应尽量简单，实用，在毛坯制造，机械加工，装配，开封大学毕业论文9维修等方面都具有良好的工艺性，合理的选用材料，尽可能地选用标准件。3. 经济性要求：经济性要求是一个综合指标，他体现于机械的设计，制造及使用的过程中，因此，设计机械时应全面综合地考虑。此外还有便于拆装和运输的要求及长期保持工作精度的要求等。本设计机构部分的重要内容是传动部分的设计。主要是实现踏板的轴的传动方式，目前常用的传动方式有以下几种：齿轮传动、蜗杆传动、带传动、链传动等。以下分别比较各种方案优缺点后决定选用哪一种传动方案。1. 齿轮传动的主要特点有：效率高；在常用的机械传动中，以齿轮传动的效率为最高。节构紧凑，在同样的
19、使用条件下，齿轮传动所需的空间尺寸一般比较小。工作可靠、寿命长；设计制造正确合理、使用维护良好的齿轮传动，工作十分可靠，寿命可达一、二十年，这是其他机构所不能比拟的。传动比稳定 传动比稳定往往是对传动性能的基本要求。齿轮传动的制造及安装精度要求高，价格较贵，且不适宜传动距离较大的场合 22。由于本设计的轴向转动并不能实现整周转动，而且还需要往复运动，如果选用齿轮传动的话，就必须对驱动电机的调速性要求非常之高，而且电机的正反转转换非常频繁，对电机和控制要求非常高，控制不容易实现。2. 蜗杆传动的特点：能实现大的传动比；由于传动比大，零件数目少。结构很紧凑。冲击载荷小，传动平稳，噪声低；当蜗杆的螺
20、旋升角小于啮合面的当量摩擦角时，蜗杆传动便具有了自锁性；在啮合处有相对滑动。 当滑动速度很大、工作条件不够良好时，会发生严重的摩擦及磨损，从而引起过渡发热，是润滑状况恶化。因此，摩擦损耗较大，效率低。蜗轮蜗杆传动也不适合本设计的预定目标，因为自锁性太好而不能往复控制，无法实现。而且踏板下面没有放置蜗轮的空间（蜗轮蜗杆的体积相差太大） ，不采用。3. 带传动的特点：开封大学毕业论文10结构简单，传动平稳，造价低廉及能够缓冲吸振；带传动由于存在弹性滑动和打滑现象，不能保持稳定的平均传动比。带传动如果是采用同步带的话就可以保持稳定的传动比，可以用于本机构中，但是如果采用的话，空间比较大，感觉很不简便
21、，不首先使用。4. 链传动属于带有中间挠性件的啮合传动，与属于摩擦传动的带传动相比，带传动无弹性滑动和打滑现象，因而能保证准确的平均传动比，传动效率高，作用在轴上的径向压力小；在同样使用条件下，链传动结构较为紧凑。同时链传动能在高温及速度较低的情况下工作。与齿轮传动相比，链传动的安装和制造精度要求较低，成本低廉。链传动的主要缺点是：在两根平行轴之间只能用于同向回转的传动；运动是不能保证恒定的瞬时传动比；磨损后容易发生跳齿；工作是有噪音。链传动与同步带想似，缺点比同步带还多，不适用于近距离传动。5. 螺旋传动结构简单，便于制造，易于自锁，但其主要缺点是摩擦阻力大，传动效率低（一般 30%40%）
22、 ，磨损快，传动精度低等。如果不考虑效率及磨损的话，螺旋传动是个非常适合本设计的方案，因为它占用的空间很小，结构紧凑，虽然需要电机换向转动，但比齿轮传动控制简单得多。如果选用滚动螺旋的话上述问题便得到了解决，但结构复杂，只有在高精度、高效率的重要传动中才适宜选用，如数控，精密机床、测试装置或自动控制系统中的螺旋传动等。所以本设计还是不予优先考虑。6. 圆柱凸轮传动，其实凸轮机构算不上传动，只能叫机构，但有一种圆柱凸轮不但可以实现往复转动而不用改变驱动电机的转向，而且结构简单，可以根据需要而设计轮廓来保证踏板的俯仰角度。在充分比较了各种方案之后，决定选用类似摆动从动件的圆柱凸轮机构来实现踏板的摆动，用电机来驱动圆柱凸轮带动从动件。2.3.2 机构的结构形式机构的机械图如图 2.1 所示，驱动电机经过减速之后（减速器需与驱动
