1、I摘要康复机器人技术则是近年来迅速发展的一门新兴机器人技术，是机器人技术在医学领域的新应用；目前康复机器人已成为国际社会研究的热点之一。本课题主要研究的中风病人行走辅助机构。随着社会的发展和科技的进步，未来的设计是基于研究和以三维造型为基础的设计。在以后的设计中会更加多的加入人机工程学的内容，而人机工程学的研究也呈现出了很多崭新的面貌，其定义的范围也在不断拓展。本次设计是通过人机工程学与实际相结合，以 Pro/E 为基础，结合人体尺寸来设计运动器材椭圆机的。其中大量的运用到 Pro/E 技术来设计，以实现椭圆机的三维造型。椭圆机的设计实现了在小范围内达到科学锻炼身体的目的，其操作简单明了，噪音
2、小，无污染，使用安全可靠。关键词：中风 行走辅助机构 康复IIABSTRACTThe rehabilitation robot technology is a new robot technology developed rapidly recently, which is a new application in medical fields of robot technology. Currently the research on rehabilitation robot has been one of the focuses in the International Society.
3、The rehabilitation robot technology is a synthesis of many subjects, which covers mechanics, electronics, control and rehabilitative medicine and so on; it has been a typical representation of the mechatronics research. The main research of this paper is based on the attitude control gait rehabilita
4、tion training system design.In this paper, lower extremity rehabilitation and development of robot applications at home and abroad, lower extremity exoskeleton training robots overall program design, structural design, design and overall control; gait training on the robot for three-dimensional mode
5、ling, and important parts to check. The robot gait training has a total of five degrees of freedom, each of which a mechanical leg joints have two (2 DOF) to imitate human knee, hip and a weight relief for weight relief system (including a degree of freedom). The system can be used for brain injury,
6、 stroke, and to help patients better rehabilitation training, and meets the needs of different groups of people. Key words：rehabilitation training robot lower extremity exoskeletons目录摘要 .IABSTRACT.II第一章 绪论 .11.1 下肢行走辅助机构研究背景 .11.2 中风病人行走辅助机构研究目的和意义 .11.3 病人行走辅助机构研究概况 .21.3.1 国外研究发展概况 .21.3.2 国内研究发展概
7、况 .61.4 存在问题 .91.5 论文选题意义及研究内容 .9第二章 人体下肢运动分析 .112.1 人体下肢解剖作用 .112.2 下肢主要关节特征 .122.3 步态分析 .14第三章 椭圆机设计 .153.1 基于机械设计原理轴的设计（包括套筒的设计，轴承的选择） .153.1.1 轴的结构设计 .153.1.2 轴的结构设计 .163.1.3 轴的结构设计 .183.2 螺母的选择及其主要尺寸 .193.3 椭圆机的人机工程设计 .193.3.1 椭圆机的简介及其设计要求 .193.3.2 人体尺寸的选择 .203.3.3 踏板间距和踏板大小的确定 .223.3.4 外观及色彩设计
8、 .22第四章 人体负重装置 .244.1 包臀和抱腰的设计 .244.2 负重机构机架设计 .244.3 负重机构的平衡块的设计 .25第五章 Pro/E 建模 .265.1 轴的三维模型形成 .265.2 轴承的三维模型形成 .275.3 垫圈的三维模型形成 .285.4 螺母的三维模型形成 .295.5 踏板的三维模型形成 .305.6 底座及其连接部分三维模型的形成 .305.7 轴连接三维模型形成 .315.8 杆连接部分三维模型的形成 .325.9 轴三维模型的形成 .335.10 杆连接三维模型的形成 .335.11 负重机构三维模型 .345.12 椭圆机总装配图的三维模型 .
9、35第六章 结论 .36参考文献 .371第一章 绪论1.1 下肢行走辅助机构研究背景中风1是一种非常严重的记性（短期）时间，因脑部的突然供血中断受损破裂或闭塞，导致脑组织血液循环不足，脑细胞不能正常活动，有害的新陈代谢废物积累，脑细胞会迅速死亡并引起神经功能障碍。全球每年有大约 1500 万人发生中风，其中 550 万人死亡，另 500 万人永久性残疾。这使得中风成为第三大死亡原因和主要的致残原因。中风可以影响所有年龄段的男性和女性。然而，总体而言，中风事件大多数发生在 65 岁以上的老年人当中。根据七个国家（美国、法国、德国、意大利、英国和日本）的报告，每年每 100,000 人中 214
10、例，随着人口老龄化，发病率每年增长 1.9%。2在中国（from2002 who infodatebase）就有 1,652,885 个中风病人，全世界发病率最高的地区就在中国3。中风后遗症中的偏瘫，造成平衡功能障碍，步态不稳，一侧肢体肌力减退、活动不利或完全不能活动，影响到 75%的中风幸存者，并足以减少他们的就业能力甚至正常日常生活能力。中风病患者多为老年人，大部分已经没有工作能力，伤病的出现对患者及家庭都造成了残酷的打击，伴随而来的是高昂的医疗费用，以及对家庭、社会造成的负担。为此，世界各国都投入了大量的人力、物力、财力研究中风后遗症的康复理论以及机能恢复的办法，有关与中风偏瘫辅助行走内
11、容成立康复研究的重点和热点。1.2 中风病人行走辅助机构研究目的和意义脑中风患者往往会失去自如活动的能力，严重的影响日常生活。通常情况下，脑中风患者会出现的运动障碍症状有四肢一侧无力，或活动不灵、持物不稳，有时伴肌肉痉挛在走路时虽末遇路障，意识也清楚，可却突然跌倒在地，或者自己想走在路中央，但却不自主歪向路边出现行走不稳症。同时，中风偏瘫患者在进行康复治疗的时候，一般传统的手段，采取康复2治疗师和患者一对一的训练，包括床边训练、床上动作训练、步行准备训练、步行训练、回归社会后的训练等，同时作业疗法可促进其功能的恢复，帮助患者达到最高的自理水平，配合理疗可促进中枢神经功能的恢复，防止肌肉萎缩，减
12、轻疼痛等。但是这种传统的人工训练效率低下，患者需要较长的时间来进行恢复，这可能会导致患者错过最佳的康复治疗时间；同时对理疗师来说，治疗时间过长而且单调枯燥并会消耗大量的体力。在中风病人病愈后，希望能让中风病人正常的行走，至少能够让其恢复独立行走的能力。目的是帮助中风患者重新自由行走，从而不受任何束缚，给这些病人带来新的希望。1.3 病人行走辅助机构研究概况外骨骼行走机构通过机器的主动辅助，帮助不能行走或者行走有困难的人更加轻松地完成行走的动作，并且可以对使用者的身体进行肩负，对于某些产己任可以更好的帮助他们正常生活。1.3.1 国外研究发展概况美国加州大学伯克利分校研究的 Berkeley l
13、ower extremity exoskeleton，BLEEX，如图所示。该装置目前已经研制出两代下肢主力外骨骼，目的是通过在腿上安装一套机械支持系统，士兵们在急行军时可以背负较重的负荷，走更远的距离。该外骨骼装置主要有两条仿生金属助力腿、液压主驱动装置、通讯与控制系统、动力能源和一个背包类的负重架。BLEEX 使用混合动力驱动，包括液压驱动器，同时给负重背包上的计算机提供电源。从结构特点来看，BLEEX 刷下肢腿部各具有 7DOF，其中髋关节 3DOF，膝关节 1DOF，踝关节 3DOF，另外在腰带中部增加 1DOF 以调整人体两下肢运动的协调，安装有 40 多个液压驱动器和各类传感器，不
14、同的驱动器与传感器之前共同构成了一个局域网，基于这个局域网，背包上的计算机不断的分析负重以及操作者的空间方位，计算机经3过计算后，根据这些信息掉接仿生金属腿，将负重合理的分配到外骨骼结构上，从而达到肩上操作者身体的负重。尽管这套装备自身就重达 50 公斤，但是使用者却不必担心它的重量，因为这套装备可以自己承担自己的重量。在控制系统的帮助下，它的重心始终和使用者的脚步保持一致。除了能够背负自身的重量外，该装备还可以承担 32 公斤的额外负重，额外的这些负重可以放在后面的背包中。对使用者来说，背负着这些东西的感觉就如同只背负了 2 公斤的东西一般，让你觉着十分轻松。伯克利下肢外骨骼负重装置Berk
15、eley lower extremity exoskeletonAdam Zoss, H. Kazerooni, Andrew Chu. On the Mechanical Design of the Berkeley Lower Extremity Exoskeleton(BLEEX), 2005 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and System, August, Edmunton. 2005, 3465-3472eLEGS 是美国伯克利一家仿生技术公司近日研制出一种由电池提供动力的外骨骼系统，这种外骨骼系统
16、可以帮助截瘫患者摆脱轮椅，自由行走。 这种外骨骼系统被命名为“eLEGS” ，由一个机械框架组成，机械框架通过拐杖进行控制。拐杖中含有传感器，向前移动右拐杖，则左腿随之向前移动，反之亦然。据该产品研发者伯克利仿生技术公司介绍， “eLEGS”系统的电池能够保证使用者行走一整天，电量用完后需要换下来充电。设备包括一个电脑和电池组，像一个背包绑到用户的后背。eLEGS 计划行走轨迹是以从人的自然步态收集的数据为基础的(大约肢体角度，膝盖弯曲程度，4脚趾间隙)，在一个步伐中，髋关节摆动，膝盖弯曲。在每个脚跟和脚掌处的压力传感器确保双脚不会同时离开地面。行走速度取决于病人的能力和情况，最高速度可达时速
17、 3 公里伯克利仿生技术公司以洛克希德-马丁公司的 HULC 外骨骼模型为基础，设计出这种外骨骼系统。研究人员将 HULC 外骨骼进行了改进，使得“eLEGS”外骨骼使用起来更方便。在“eLEGS”外骨骼上，有一个粘扣带，一个背包式的夹子和肩部背带，任何人都可以在一、两分钟内迅速穿上或脱下。据伯克利仿生技术公司介绍，这种外骨骼很薄、很轻，操作起来很容易。电子外骨骼系统eLEGSeLEGS Berkeley Robotics and Human Engineering Laboratory. Retrieved 29 January 2012Exoskeleton Berkeley Bionic
18、s. Retrieved 29 January 2012.“ReWalk”装置是以色列“埃尔格医学技术”(Argo Medical Technologies)公司阿密特戈夫尔(Amit Goffer)主持研究的一套康复医疗下肢助动外骨骼，它可帮助下身麻痹患者(即腰部以下瘫痪的人)站立、行走和爬楼梯。如图所示为“ReWalk”下肢步行助力腿。 “ReWalk”由电动腿部支架、身体感应器和一个背包组成，并需要一副拐杖帮助维持身体平衡。背包内置有计算机控制系统和蓄电池。使用者可以先用遥控腰带选定某种设置，如站、坐、走、爬等，然后向前倾，激活身体感应器来启动装置。5ReWalker 下肢步行助行腿Re
19、Walker assist leg本田从 1999 年开始研究行走辅助装置，在与筑波大学合作开发 HAL-3 的基础上开发的代步助力器。在 2008 年 4 月份的时候，发布过第一版本的步行辅助器，接着在 2008 年 11 月发布了最新实验版了，功能更加的多了，针对协调性也应该加强了，不过外形更加怪异了而已，也得穿专用的鞋。它是为了腿脚不方便的人所设计，比如老年人、残疾、腿部力量较弱等等，或者是一些职业性的需要，比如机械加工方面、修理等等。由从结构来看，它由鞋子，框架，鞍状车座三部分组成，下肢共有 6DOF，即每条腿的髋关节、膝关节、踝关节各有1DOF。采用了非泥人设计，无绑缚于人体的连接，
20、彩通支承座承受人体自重，膝关节和髋关节为驱动关节，由臀部传感器和发动机组成的辅助装置, 会根据你平常走路各关节的角度，对数据进行统计，然后会调整协调性，针对步行者进行最佳的力量辅助，会减少在步行中腿部肌肉和关节的负荷，达到省力的作用。同时，它的运动机制给使用者的重心直接给予扶助让使用者可以控制叫的运动以达到不同的动作。主要用来帮助中风致残的老年人行走，还能用于帮助某些工种的工人提高工作效率。6本田行走辅助支撑系统Honda walking assist device with body weight support systemHonda Unveils Experimental Walkin
21、g Assist Device With Bodyweight Support System, November 7, 2008Honda to Showcase Experimental Walking Assist Device at BARRIER FREE, April 22, 2008尹军茂，穿戴式下肢外骨骼结构分析与设计，2010:16-191.3.2 国内研究发展概况辅助康复性的装置是一个多学科为一体的新兴交叉研究领域，属于医工结合的开拓性领域。我国在辅助行走机构方面的研究比西方发达国家相比起步比较晚，研究成果比较少辅助型康复机器人的研究成果相对较多，以简易型康复训练器械的产品为
22、主。但随着我国经济的迅速发展，国家相关政策引导，近几年来康复医学工程得到了普遍重视，康复机器人的研究得到了发展，也取得了一定的显著成果 。从事康复机器人技术研究的单位主要集中在清华大学、哈尔滨工程大学、浙江大学、上海大学、哈尔滨工业大学等几所高校中，且上述高校研究的重点都有所不同。清华大学和北京瑞海博科技有限公司研制的截瘫步行机是在之前“交替步态训练器”基础上发展起来的。如图所示，经过三次改进和三轮样机试制，工艺目前已经成熟。该截瘫步行器作为代步工具供截瘫患者穿在身上，是一种外骨骼结构形式，在步行机构驱动下独立行走，或与跑台配合进行训练，但要求训练者具有一定的下肢支撑能力。 为了能够实现对训练者进行减重训练以及平衡训练，又在截瘫步行器基础
