下肢康復機器人穿戴式機械腿機構設計含開題、9張CAD圖,下肢,康復,痊愈,機器人,穿戴,穿著,機械,機構,設計,開題,cad 穿戴式機械腿機構設計 中文摘要 本論文研究穿戴式機械腿機構。穿戴式機械腿是一種典型的人機一體化系統(tǒng)，該機構是一種穿戴于人體腿部幫助有下肢乏力的患者進行康復治療的機械結構。本文在人-機相容性方面做了詳細的分析，使本機構在較好的穿戴位形下依靠人體的運動信息控制穿戴式機器人，在運動過程中提高人機步態(tài)的一致性，達到更好的康復治療的目的。 論文分析了國內外研究現(xiàn)狀，了解了國內外相關研究的背景情況、研究進展和未來的發(fā)展問題，總結了下肢康復機器人研究中還存在的問題，進而確定了本文的主要研究內容及所需解決的關鍵問題。 本文確定了下肢康復機器人機構的自由度，對機構進行了關節(jié)布位，通過自由度的分析對人-機聯(lián)接模式和約束性質進行了研究，從而確定了骨骼-機構聯(lián)體模型。在人體骨骼模型的基礎上，提出了一種機構構型方案。對人-機相容性進行了定義，分析了人-機相容性的影響因素。在此基礎上分別對人體下肢骨骼模型和這種機構構型進行了三維模型設計。 關鍵詞:康復機器人,人-機相容性,機構設計 Abstract This study discusses lower extremity rehabilitative robot. The lower extremity rehabilitative robot is a typical man-machine integrated system; it is worn on the body of a limb to help patients with physical disabilities rehabilitation of mechanical devices. In this paper, man-machine compatibility has done more analysis and with well wearing this equipment to rely on the human body configuration under the control of lower extremity rehabilitative robot motion information. It improves the consistency rehabilitation of human gait in the course of the campaign to achieve better purposes. This paper analyzes the research situation and has a research about the background of relevant research at home and abroad, progress of research and future development. Lower extremity rehabilitation robot research summarized the problems still exist, and then this article determines the main contents, and the key issues need to be resolved. This paper has identified the DOF of lower extremity rehabilitative robot and the joint distribution of digital agencies. Through the analysis in freedom this article do the research on the human-machine connection mode and the nature binding. Two programs of mechanism are proposed based on the bone一body conjoined model. The study defines the compatibility of human-machine and analyzes the compatibility factors of human-machine. On this basis, the human skeleton model and the configuration of the two agencies are conducted by the three-dimensional model design respectively. Keywords: rehabilitative robotics, man-machine compatibility, mechanism design 目 錄 中文摘要......................................................................................................................I Abstract .......................................................................................................................II 第一章 緒論.............................................................................................................1 1.1研究背景..................................................................................................................1 1.2下肢康復機器人概況 ....................................................................................2 1.2.1康復機器人研究歷史.................................................................................2 1.2.2下肢康復機器人分類.............................................................3 1.3下肢康復機器人的研究現(xiàn)狀...............................................................................5 1.3.1國外研究現(xiàn)狀.......................................................................................5 1.3.2國內研究現(xiàn)狀.................................................................................;.....9 1.4下肢康復機器人研究存在的問題........................................................11 1.5課題意義及主要研究內容...............................................................................11 第二章 穿戴式機械腿機構運動分析..................................................13 2.1 引言..................................................................................................13 2.2人體下肢生物骨骼模型...................................................................................13 2.3骨骼的運動與下肢關節(jié).........................................................................13 第三章 穿戴式機械腿機構設計.......................................................19 3.1穿戴式機械腿設計.......................................................................................19 3.1.1三維模型設計.......................................................................................19 3.1.2膝關節(jié)、踝關節(jié)及腳部設計...........................................................................21 3.1.3下肢連接器...........................................................................................26 3.1.4大小腿彈簧助力器及保護...........................................................26 3.1.5下肢骸部設計.........................................................................................28 3.1.6 腿部固定............................................................................................30 第四章 強度校核.........................................................................................31 4.1關節(jié)旋轉連接器受力分析.....................................................................31 設計總結.............................................................................................34 參考文獻...............................................................................................36 致謝.....................................................................................................38 第一章 緒論 1.1研究背景 我國已經進入老齡化社會，老齡化問題逐漸得到關注?！?009年度中國老齡事業(yè)發(fā)展統(tǒng)計公報》稱，2009年我國60歲及以上老年人口己達到1.6714億，占總人口的12.5%;到2015年我國60歲及以上老年人口將達到2.16億，約占總人口的16.7%。在老齡人群中有大量的腦血管疾病或者神經系統(tǒng)疾病患者，其中以腦卒中患者居多，而這類患者多數(shù)會留下偏癱等癥狀。另外，近十年來我國各類交通運輸工具的保有量迅速增長，因交通事故造成身體損傷的人數(shù)每年超過30萬人。據(jù)統(tǒng)計，我國目前有8296萬殘疾人，有康復需求的接近5000萬，每年因車禍、疾病等原因新增的殘疾人數(shù)量達100多萬。醫(yī)學理論和臨床醫(yī)學證明，這類患者除了早期的手術治療和必要的藥物治療外，正確的、科學的康復訓練對于肢體運動功能的恢復和提高起到非常重要的作用。 由于腦的可塑性，醫(yī)學上通常是通過重復的、特定任務的訓練讓患者進行足夠的重復性活動，從而使重組中的大腦皮質通過深刻的體驗來學習和儲存正確的運動模式。減重活動平板步行訓練的治療方法就是基于上述原理對患者進行訓練并且取得了良好的臨床效果，成為下肢康復醫(yī)療采用的主要方法。訓練采用懸吊式減重器和活動平板(醫(yī)用跑步機)配合工作來協(xié)助患者完成步行動作。其懸吊裝置可以不同程度地減少患者上身體重對下肢的負荷，患者在康復治療師的幫助下借助于運動平板進行康復訓練。訓練過程中一般需要兩名治療師相互協(xié)調，一名治療師在患者側面幫助并促進患者側下肢擺動，確定腳跟先著地，防止出現(xiàn)膝關節(jié)過伸，保證兩腿站立時間與步長對稱;另一名治療師站在患者身后，促進重心轉移至負重腿上，保證骸屈伸、骨盆旋轉和軀干直立。減重步行訓練可以獲得較為理想的肢體功能恢復效果，但是這種治療師對患者“手把手”式的訓練方式存在一些問題。 首先，一名患者需要兩名治療師進行運動訓練，效率低下，并且由于治療師自身的原因，可能無法保證患者得到足夠的訓練強度，而且治療效果會受到治療師自身經驗和水平的影響。 其次，不能精確控制和記錄訓練參數(shù)(運動速度、軌跡、強度等)，不利于治療方案的確定和改進;不能記錄描述康復進程的各種數(shù)據(jù)，康復評價指標不夠客觀;無法建立訓練參數(shù)和康復指標之間的對應關系，不利于對患者神經康復規(guī)律進行深入研究。 再有，不能向患者提供實時直觀的反饋信息，訓練過程缺乏吸引力，患者多為被動接受治療，參與治療的主動性不夠。 可以看出，單純依靠治療師進行康復訓練，無疑會制約康復訓練效率的提高和方法的改進。因此，開拓更加廣泛的康復訓練手段和進一步提高康復效率是解決患者運動功能障礙的當務之急。而突破這個問題的關鍵在于科學技術的創(chuàng)新，下肢康復機器人技術的發(fā)展和運用解決了這個問題。首先，機器人不存在“疲倦”的問題，能夠滿足不同患者對訓練強度的要求;其次，機器人可以將治療師從繁重的訓練任務中解放出來，而專注于制定治療方案、分析訓練數(shù)據(jù)、優(yōu)化訓練內容并改進機器人的功能;再次，機器人可以客觀記錄訓練過程中患者患肢的位置、方向、速度以及肌力恢復狀態(tài)等客觀數(shù)據(jù)，供治療師分析，以評價治療效果;更進一步，機器人所記錄下的詳細數(shù)據(jù)，使得治療師有可能從中發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)與治療結果之間的對應關系，從而有可能深入了解中樞神經康復的規(guī)律;還有，使用機器人技術可以通過多媒體技術為患者提供豐富多彩的訓練內容，使患者能夠積極參與治療，樹立康復信心，并及時得到治療效果的反饋信息;最后，機器人治療技術使得遠程治療和集中治療(一名治療師同時為幾名患者提供指導)成為可能，通過將成熟的產品推廣應用，最終使所有的患者受益。 1.2下肢康復機器人概況 康復機器人是康復醫(yī)學和機器人技術的完美結合，人們不再把機器人當作輔 助患者的工具，而是把機器人和計算機當作提高臨床康復效率的新型治療工具。 下肢康復機器人是目前康復機器人研究領域的一個主要研究對象。它主要用 于輔助患有腦血管疾病或神經系統(tǒng)疾病的患者進行下肢的康復訓練，幫助他們重 獲步行能力。它可以在專業(yè)的醫(yī)療機構甚至在家中使用，使患者獲得更強的獨立 生活能力，并能相當大的提高他們的生活質量。在過去的幾年中，下肢康復機器 人在世界各國己經有了很大的發(fā)展并取得了相當多的成果，一些企業(yè)在其技術開 發(fā)及投資方面有了很大的投入，下肢康復機器人技術正在向產業(yè)化和普及化發(fā)展。 1.2.1康復機器人研究歷史 第一次嘗試把為殘疾人服務的機器人系統(tǒng)產品化是在20世紀的60年代到 70年代，實踐證明這些嘗試都失敗了。失效原因主要有2個方面:其一是設計 的不理想，尤其是人機接口;另一個不是技術的原因，而是因為單價太高導致了 康復機器人產品化的失敗。 20世紀80年代是康復機器人研究的起步階段，美國、荷蘭和瑞士在康復機 器人方面的研究處于世界領先地位。90年代以來，全世界己有超過20所大學的 實驗室及康復醫(yī)療機構相繼開展了基于機電結合機器人技術的下肢康復訓練系 統(tǒng)的研制和實驗研究工作。 首先在機械手方面取得了一定的成就。1993年，Lum P. S.等研制了一種稱作“手-物體-手”的系統(tǒng)(hand-object-hand system），如圖1-1左圖，用來對一只手功能受損的患者進行康復訓練。這種雙手物理治療輔助機器包括兩個置于桌面上可繞轉軸轉動的夾板狀手柄，其中一個手柄下端連接在驅動電機上，電機可以輔助患者完成動作。 1995年，Lum P. S.等又研制了一種雙手上舉的康復器(bimanual lifting rehabilitator），如圖1-1右圖，用來訓練患者用雙手將物體舉起這一動作。該設備為兩自由度連桿結構，當患者雙手握住手柄將其舉起時，設備既可測量被舉物體的垂直位置及傾斜角度參數(shù)，也可以在左手(患側手)無法產生足夠大的力時 予以輔助，機器所施加的力可以按患者的需要改變，從而保持上舉動作的平衡。 圖1-1 手-物體-手訓練系統(tǒng) 目前康復機器人技術有了較大的發(fā)展，從技術上能夠較好地滿足各種殘障人 士和老年人的需要，但是在實用能力上還需要進一步完善和提高。 1.2.2下肢康復機器人分類 （1)牽引型下肢康復訓練機器人系統(tǒng)主要由減重裝置和數(shù)個牽引機器人組成，機器人操作端分別與患肢的膝、踩部柔性連接?？祻陀柧毜倪^程是患者經吊帶減重后，由機器人牽引患肢的連接部位按預期的操作端軌跡進行康復訓練運動。典型的牽引型下肢康復機器人系統(tǒng)有美國Health-S outh公司研制的Auto-Ambulato:系統(tǒng)和美國加州大學洛杉磯分校研制的ARMS系統(tǒng)等，其中Auto-Ambulator系統(tǒng)的牽引機器人數(shù)目為2個，ARMS系統(tǒng)的牽引機器人數(shù)目為 4個。牽引型下肢康復機器人系統(tǒng)可根據(jù)康復訓練需要對系統(tǒng)進行重組，并具有 牽引運動形式多樣、對患肢的適應性較強等優(yōu)點，但其機械及控制系統(tǒng)的組成相 對復雜，國內未見有相關研究的報導。 （2)運動踏板型下肢康復訓練系統(tǒng)主要由減重裝置和一對運動踏板組成，康復訓練的過程是患者經吊帶減重后，雙足與運動踏板保持接觸，運動踏板根據(jù) 預先規(guī)劃的軌跡運動，在患者自重(體重與減重量差值)與運動踏板推力共同作 用下進行患肢的康復訓練運動。典型的運動踏板型康復訓練系統(tǒng)有德國Fraunhofer研究所與柏林自由大學研制的Haptic-Walker系統(tǒng)、Mechanized Gait Trainer系統(tǒng)和口本Tsukuba大學研制的Gait-Maste:系統(tǒng)等。其中，Haptic-Walker和Gait-Master為多自由度運動踏板訓練系統(tǒng)，Mechanized Gait Traine:為單自由度(每個踏板)運動踏板訓練系統(tǒng)。國內從事運動踏板型康復訓練系統(tǒng)研究的機構主要有清華大學和哈爾濱工程大學，并研制出具有單、多自由度的臥式及立式運動踏板訓練系統(tǒng)。多自由度運動踏板訓練系統(tǒng)對患肢不同的訓練需求具有較強的適用性，可以模擬正常的下肢運動步態(tài)和腳踩運動位姿，還能夠根據(jù)訓練需要靈活調整、設計踏板的運動規(guī)律。 (3)穿戴型下肢康復訓練機器人系統(tǒng)由減重裝置、運動平板以及與支撐裝 置相連的穿戴型下肢康復機器人(外骨骼)組成?？祻陀柧毜倪^程是患者穿戴下 肢康復機器人并經吊帶減重后，機器人根據(jù)預先規(guī)劃的運動規(guī)律和控制策略，導 引患者下肢協(xié)同運動進行康復訓練。同時患者的雙足依次與運動平板相接觸，在 運動平板的帶動下進行踩關節(jié)的康復訓練。穿戴型下肢康復機器人系統(tǒng)既能進行 下肢的被動康復訓練，也可以對下肢進行主動康復訓練。對于手術恢復期后以及因偏癱導致運動功能損傷嚴重的患者，可先經吊帶減重后由下肢康復機器人導引患肢進行被動康復訓練，逐步恢復患肢關節(jié)的運動功能和肌肉組織的伸展功能。當患肢的運動功能恢復到一定程度后，根據(jù)功能恢復狀況可適當降低下肢康復機器人的驅動功率，由患肢與機器人驅動器共同承擔機器人機構的負載并協(xié)同運動，實現(xiàn)患肢的主動康復運動訓練。 1.3下肢康復機器人的研究現(xiàn)狀 康復機器人技術在歐美等發(fā)達國家得到了科研工作者和醫(yī)療機構的普遍重視，許多研究機構都開展了有關的研究工作，近年來取得了一些有價值的成果。我國對康復機器人的研究起步比較晚，輔助型康復機器人的研究成果相對較多，康復訓練機器人方面的研究成果則比較少。 1.3.1國外研究現(xiàn)狀 瑞士HOCOMA醫(yī)療器械公司與瑞士蘇黎士Balgrist醫(yī)學院康復中心合作推 出的LOKOMAT步行康復訓練機器人是當今產業(yè)化程度最高的一種面向下肢癱瘓患者的醫(yī)療康復器械。 LOKOMAT于1999年研制成功，2001年在漢諾威世界工業(yè)展覽會上展出，并在隨后的幾年中口臻完善并且己經開始進入實際應用階段。 LOKOMAT根據(jù)癱瘓患者康復訓練的特點，將下肢外骨骼設計成骸關節(jié)和膝關節(jié)兩個自由度，分別由驅動器控制直流伺服電機進行運動。關節(jié)的角度、電機的輸出力矩、患者與外骨骼之間的接觸力均由相應的傳感器進行測量。整個LOKOMAT系統(tǒng)通過一個平行四邊形連桿機構與跑步機及懸吊系統(tǒng)相連接，穩(wěn)固可靠。訓練時，患者的下肢通過六個綁帶與LOKOMAT相連，最基本的被動訓練只需控制四個關節(jié)的角度和角速度，以帶動患者模仿人體步行運動。為了適應不同患者的需要，該機器人的各個關節(jié)均可調整，如圖1-2所示。為了讓患者感到舒適，所有與患者接觸的綁帶都是寬而軟的。LOKOMAT的優(yōu)點是:①患者的訓練狀態(tài)能夠被監(jiān)測、評價和引導;②能夠根據(jù)患者個體不同提供相應的步態(tài)模式和訓練方案;③能夠通過虛擬現(xiàn)實技術為患者提供反饋以提高患者參與訓練的主動性。 圖1-2 LOKOMAT機械腿 LOPES(Lowerextremi typowered Exoskeleton)也是一套主動醫(yī)療康復外骨骼， 如圖1-3所示。它的設計初衷與LOKOMAT一樣，是面向于下肢活動能力受損 的心腦血管或神經疾病患者。所不同的是，LOPES更加關注于所開發(fā)的機電系 統(tǒng)與患者的兼容性和患者穿戴外骨骼訓練時的舒適性。當然，對康復外骨骼的一 些常規(guī)要求，如:較大的帶寬、較高的定位精度、良好的結構堅固性等，也在LOPES中得到了相應的體現(xiàn)。由于設計關注的方面不同，其驅動方式也與LOKOMAT大相徑庭。LOPES采用繩纜拉線式的傳動方式控制四個關節(jié)，并采用了一系列的彈性構件組成了系統(tǒng)的力反饋環(huán)節(jié)。其獨特的驅動方式，使得系統(tǒng)具有更加輕便的關節(jié)結構以及更為簡潔的外骨骼結構，從而提高了效率。另外，出于舒適性的考慮，外骨骼也為患者提供了更多的關節(jié)自由度，包括:骸關節(jié)的屈、伸主動自由度，膝關節(jié)的屈、伸主動自由度，踩關節(jié)的外展、內收被動自由度，骨盆的上、下移動被動自由度。 圖1-3 LOPES機械腿 2001年，德國弗朗霍費爾研究所(Franhofer Institut IPK)基于吊線木偶原理， 研制了一種繩驅動式下肢康復訓練機器人Stringman，配合踏步車使用，如圖1-4 所示。 Stringman由自動減重繩驅機構和姿態(tài)控制機構兩部分組成，共六個自由度。Stringman采用了復雜的控制結構，包括多個控制環(huán)，具有龐大的傳感器系統(tǒng)，底層控制采用基于位置的魯棒力控制以及柔順控制。減重水平根據(jù)檢測到 的病人支撐腿的情況自動調整。姿態(tài)和平衡控制基于零力矩點概念，通過控制繩 的張力控制zMp位置及足底反作用力。目前該機器人仍處于樣機研究階段。 圖 1-4 Stringman機械腿 圖1-5 Arthur機械腿 2002年，美國加利福尼亞大學David Reinkensmeyer等人研制了兩自由度 平面康復訓練機器人ARTHUR，如圖1-5所示。該機器人采用V型機構測量和 控制其頂點的位置，機構頂點可與患者患側的腳踩或膝蓋連接，輔助患肢抬腳或 抬腿。與大多數(shù)機器人不同的是，ARTHUR具有高度的逆向可驅動性。 日本研制了一種旋轉式下肢康復訓練機器人，如圖1-6所示。它采用一個大 的回轉臂通過束具與患者的軀干連接，支撐患者的部分體重，同時患者在回轉臂 的帶動下沿圓周路線行走。該機器人的缺點是行走過程中機器人始終對患者附加 一個不同于正常行走的側向驅動力，病人膝蓋會承受多余的剪切載荷。 針對口本回轉式步態(tài)訓練機器人的缺點以及采用祛碼等傳統(tǒng)懸吊減重方式 存在的減重力變化的問題，Seungho Kim等人分別開發(fā)了氣壓和電氣驅動的減重 移動車式步態(tài)康復訓練機器人(walking training robot)。該機器人由輪式移動平臺 和恒力減重系統(tǒng)兩部分組成，輪式移動平臺可工作在訓練模式或者跟隨模式下。 訓練模式中，由移動平臺引導患者按照計算機或安裝于平臺上的操縱桿制定的路 徑行走，由移動平臺跟蹤患者的運動方向和速度。針對電機驅動和氣壓驅動減重 系統(tǒng)分別設計了基于滑模力控制和采用模糊力控制的恒力減重控制系統(tǒng)。 圖1-6 旋轉式康復訓練機器人 圖1-7 MaKiKawa 的機器人 日本的Makikawa實驗室結合機器人技術、生物信號測量技術、虛擬現(xiàn)實技 術研制出一種下肢康復機器人，如圖1-7所示。該機器人可以使病人模擬正常人 走路、上斜坡、爬樓梯、滑行等各種運動，從而達到康復鍛煉的目的。 圖1-8是美國芝加哥PT公司研發(fā)的平衡機器人。它的作用是幫助失去身體 平衡的人進行康復訓練的機器人，右圖是患者在側向移動。這種康復機器人能夠 幫助人體平衡，而且對軀干受傷的人，或者行走失去平衡的人有非常好的效果。 它能夠迅速準確地確定患者微小的動作，從而幫助患者達到預想的動作，這種康 復設備不會主動地帶人行走。 圖1-8 芝加哥PT公司平衡機器人 AKROD (Active Knee Rehabilitation Device For Human)康復機器人是由美 到東北大學機電與機器人實驗室研發(fā)的，如圖1-9所示。康復機器人在應用上也 七過去更貼近普通人，現(xiàn)在這臺AKROD膝關節(jié)康復機器人己經在美國波士頓醫(yī) 完投入使用，對于膝關節(jié)由于撞擊受傷的患者尤其有效。 圖1-9 AKROD 康復機器人 1.3.2國內研究現(xiàn)狀 國內在下肢機器人方面的研究起步較晚，所取得的成果也不多。目前的研究 機構主要集中在上海大學、浙江大學和哈爾濱工程大學等。具有代表性的是，哈 爾濱工程大學開發(fā)的輔助型下肢康復訓練機器人和浙江大學開發(fā)的可穿戴式的 下肢步行外骨骼。自2004年開始，中科院合肥智能機械研究所開始從事這方面 的相關研究工作。 2002年，哈爾濱工程大學機電一體化研究所研制了一種下肢康復訓練機器 人樣機如圖1-10所示。該機器人由三自由度步態(tài)機構、姿態(tài)機構和重心平衡機構等組成。其優(yōu)點是可實現(xiàn)腳的姿態(tài)調整，在機器人的遠程控制技術、虛擬現(xiàn)實技術及減重控制策略方面進行了實驗或仿真研究，后續(xù)研制并開發(fā)了可與該 機器人配合使用的四自由度繩索牽引骨盆運動并聯(lián)康復機器人。 圖1-10 下肢康復訓練機器人 圖1-11 助力機械腿 2006年，上海大學機電工程與自動化學院也開始研究了一套可穿戴式助力機械腿單側下肢有兩個自由度，分別為骸關節(jié)和膝關節(jié)的屈/伸自由度，這兩個自由度分別由電動缸驅動，單側下肢機構如圖1-11所示。 浙江大學流體傳動與控制國家重點實驗室也在這方面做了深入的研究，研究 設計了一套下肢康復醫(yī)療外骨骼，如圖1-12所示。這套系統(tǒng)具有骸關節(jié)和 關節(jié)兩個自由度，采用伺服電機驅動，并由獨立的驅動器進行控制。并在此基 礎上開發(fā)了一套專用于此系統(tǒng)的虛擬儀器控制界面軟件。另外，專為系統(tǒng)制定開 發(fā)的兩套步態(tài)訓練控制策略，即被動步態(tài)訓練位置控制和半主動步態(tài)訓練軌跡自 校正控制，可以滿足不同康復時期下肢步態(tài)康復訓練的不同要求。 圖1-12 伺服電動驅動的下肢康復醫(yī)療外骨骼 自2004年開始，中科院合肥智能機械研究所就開始從事這方面的相關研究 工作，如圖1-13所示。機器人采用了類人結構，機構單側共有五個自由度，分別是骸關節(jié)三個自由度，膝關節(jié)和踩關節(jié)各一個自由度。 圖1-13 可穿戴型助力機器人 盡管國內在穿戴型下肢康復訓練機器人領域的研究起步相對較晚，但在機器 人系統(tǒng)關鍵技術研究與試驗樣機研制方面己經取得比較多的成果。進一步完善下肢康復機器人系統(tǒng)的性能，開展相關的康復訓練實驗研究是今后研究工作的重要 內容。 1.4下肢康復機器人研究存在的問題 （1）人-機聯(lián)接模式對人-機相容性的影響?，F(xiàn)有下肢康復機器人中，人-機之間采用直接綁縛或通過穿戴具以緊致穿戴的形式相聯(lián)接，缺乏有關人-機聯(lián)接模式和約束性質的深入研究，更未分析聯(lián)接模式對人-機運動相容性的影響。因此，需要進一步研究人-機之間的聯(lián)接模式及其約束特性，在機器人機構的構型設計中分析聯(lián)接模式的作用與影響，并以改善人-機運動相容性為前提對機器人機構的構型進行綜合與優(yōu)選。 (2)機構構型對人-機相容性的影響?，F(xiàn)有的下肢康復機器人機構的骸關節(jié) 多采用單自由度回轉副或由2個回轉副進行運動等效，膝關節(jié)為單自由度回轉副， 機構的尺度參數(shù)根據(jù)下肢骨胳的比例和長度確定。優(yōu)點是機器人機構的構型相對 簡潔且機構的設計簡便易行。但機器人機構的關節(jié)數(shù)目少于下肢骨骼的關節(jié)數(shù)目， 而且對應關節(jié)的運動屬性也有所不同，構型的選取會直接影響人-機之間的運動 相容性。因此，在對人體下肢骨骼的生理結構、關節(jié)運動特性以及康復機器人機 構的外掛屬性進行分析的基礎上，結合人-機系統(tǒng)的自由度分析提出較好的機構 構型。 (3)機構參數(shù)優(yōu)化對人-機相容性的影響。由于下肢康復機器人機構與人體骨骼機構在關節(jié)數(shù)目、關節(jié)運動特性上的差異以及機器人機構的外掛屬性，若機器人機構參數(shù)或聯(lián)接參數(shù)設計不夠合理，也會導致人一機運動不相容，在聯(lián)接部位發(fā)生運動干涉與沖突。因此，在優(yōu)選機構構型的基礎上，需要進一步研究基于運動相容性的機構參數(shù)及聯(lián)接參數(shù)優(yōu)化方法，定義運動相容性評價指標，構造基于運動相容性的機構參數(shù)優(yōu)化模型并進行參數(shù)的優(yōu)化設計。 此外，機構設計中輕便、美觀和機構桿長的可調性也是研究的關鍵問題。 1.5課題意義及主要研究內容 穿戴式智能設備”是應用穿戴式技術對日常穿戴進行智能化設計、開發(fā)出可以穿戴的設備的總稱，如圖1-14 Ekso Bionics機械腿，鞋等。 機械腿的研究是步行機器人研究的核心內容。步行機器人是一個交叉學科的研究，它涉及仿生學、機械學、控制學及信息處理技術等。步行機器人在多個行業(yè)具有很多應用優(yōu)勢，逐漸成為國內外機器人研究領域的一個熱點。步行機器人與其他履帶式、輪式機器人相比，具有以下的運動特性。 (1)步行機器人具有良好的地面自適應性 步行機器人可以在復雜的地形上利用離散的點來選擇最優(yōu)的地面支撐點，并且可以跨越一定的障礙物。 (2）步行機器人的腿部運動系統(tǒng)比較穩(wěn)定 步行機器人的腿部運動系統(tǒng)可以保證身體相對地面的穩(wěn)定，因其腿部具有多個自由度，靈活性大，同時可以通過調節(jié)腿的伸展度來調整重心，因此不易翻倒，穩(wěn)定性高。 仿人機器人作為步行機器人的一種形式，是提高機器人機動性和節(jié)省能源的一條重要途徑。仿人機器人是機器人研究領域最高研究成果的代表。相對于其他機器人，仿人機器人具有人的外形，并具備良好的人機交互能力，所以在娛樂服務等領域，仿人機器人具有更明顯的優(yōu)勢。 圖1-14 Ekso Bionics機械腿 第二章 穿戴式機械腿機構運動分析 2.1引言 機械腿的結構設計必然是一個挑戰(zhàn)。機械腿自身特點-穿戴性，決定了它需要更為合理的機構設計。機構設計的優(yōu)劣直接影響穿戴的舒適性。 機構的功能設計要反映下肢骨骼的運動特點。人體生物骨骼的關節(jié)結構、運動形式和步行的運動特征都是外骨骼設計的基本依據(jù)。通過分析人體骨骼模型和關節(jié)運動建立人體簡化模型。通過分析步行特征初步掌握關節(jié)運動協(xié)調規(guī)律。采用簡化模型分析人體運動學特性。通過這些特征的研究，合理設計出穿戴舒適、運動靈活可靠的外骨骼機構，使其與人體運動達到協(xié)調統(tǒng)一。 無論機構如何進行空間構型設計，都必須要穿著于人體的框架之上，并要求 保持機構結構與人體形態(tài)的相互統(tǒng)一，滿足人體運動的空間需要。因而機構構型 的空間設計首先必須滿足人體骨骼的基本框架。因為人體結構的主架是骨骼，骨 骼具有不可變性，所以機構在進行構型空間設計時，首先要考慮骨骼的形狀和位 置，這些是機構構型空間設計的不變因素。本章就以上問題進行了深入討論。 2.2人體下肢骨骼模型 骨骼最基本機能是支撐和運動，而關節(jié)是骨與骨間的連接部分，決定著骨骼 運動鏈的運動形式。人體下肢的骨骼運動鏈是以旋轉為主的串并聯(lián)混合結構。人 體下肢骨骼運動包含了豐富的機構運動學問題。建立下肢隨動外骨骼機構模型要 以生物骨骼運動模型為基礎。 2.3 骨骼的運動與下肢關節(jié) (1)下肢骨骼與關節(jié) 研究人體運動學，首先必須確立參考系。通常臨床醫(yī)學、體育學及人體運動 學研究使用三維坐標系統(tǒng)如圖2-1所示:參考系包括三軸和三面:矢狀軸、冠狀 軸(額狀軸)、垂直軸;矢狀面、冠狀面(額狀面)和水平面(橫切面)。在該參考系下，通常把關節(jié)的基本運動形式分為屈曲/伸展、內收/外展、回旋和環(huán)轉等。 圖2-1 人體基本平面及軸線 圖2-2 人體下肢骨骼與關節(jié) 如圖2-2所示，決定下肢運動狀況的主要關節(jié)包括:骸關節(jié)、膝關節(jié)和踝關節(jié)，均屬于活動關節(jié)。其次，腳部和踝部還包括一些不動和少動關節(jié)，也具有一定的調節(jié)功能。為簡化起見，外骨骼的設計不考慮這些關節(jié)。 骸關節(jié)是由一個球形股骨頭與凹形的骸臼組成的桿臼(球窩)式滑膜關節(jié)，是典型的三軸關節(jié)或稱多軸關節(jié)，具有3DOF，即可在三個相互垂直的運動軸上做屈伸、收展、旋轉等多方向的運動，是全身位置最深的關節(jié)，構造既堅固又靈活，將軀干的重量傳達至下肢，具有重要的負重和活動功能。伸屈活動時，股骨頭沿橫軸在骸臼內旋轉，但大腿內外旋轉時，是以股骨頭中心至股骨踝間凹連線作為其活動的軸心。因此，股骨頭在骸臼內還有極為微小的滑行。骸關節(jié)的活動受到肌肉韌帶限制，其運動范圍如下:前屈130度到150度;后伸10度到15度;內收20度30度;外展30度45度;外旋40度到50度;內旋屈骸時為40度到45度。 膝關節(jié)由股骨下端、脛骨上端和骸骨構成，是人體最大最復雜的關節(jié)，屬滑 車球狀關節(jié)，能做屈伸運動，屈可達130度，伸不超過10度。在屈膝狀態(tài)下又可作屈位微小的旋內、旋外運動。在正常步行中，由于屈膝幅度不會很大，屈位微小，在一般的建模中，均忽略旋內、旋外的微量運動以簡化設計。由于膝關節(jié)受到內外交叉韌帶和脛側、胖側副韌帶的限制，不能外展、內收。因此，膝關節(jié)簡化為單軸關節(jié)，具有1DOF，繞額狀軸在矢狀面上屈伸。 膝關節(jié)的生理結構也是球狀關節(jié)，嚴格上屬于球副，只是由于膝關節(jié)韌帶繃 緊的原因，只能在矢狀面運動，如圖2-3所示。嚴格的實驗表明，膝關節(jié)運動是 矢狀面內的旋轉與滑移的復合。但由于滑移量非常小，因此不予考慮。 圖2-3膝關節(jié)結構 踝關節(jié)由脛骨遠側端關節(jié)面，胖骨遠側端關節(jié)面和距骨滑車關節(jié)面構成，為 屈戌關節(jié)，運動軸在橫貫距骨體的橫軸上。踩關節(jié)運動的方式是由距骨體滑車關 節(jié)面的形狀所決定的，活動范圍較小，能做足背屈、足庶屈和內翻、外翻運動。 在矢狀面背屈10度到20度，蹈屈25度30度。蹈屈時還可有輕微的旋轉、內收、 外展與側方運動。踝關節(jié)在矢狀面的屈伸運動軸由內上向外下微傾，踝背伸時足 外旋，蹈屈時，足內旋。旋轉范圍13度25度，踝關節(jié)運動保證了足底支撐力向 腿部骨骼的傳遞，在行走、上下樓梯、登山及跳躍時均有重要作用。 值得注意的是，上述這些關節(jié)發(fā)生在任何一個平面內的運動都必然伴隨著其 他兩個平面的運動，形成所謂的步行復合運動，這也是步行運動復雜性的體現(xiàn)， 是仿生下肢設計的難點問題。 (2)步行運動序列 一個完整的行走循環(huán)周期即為一個跨步，一個跨步包括了兩個步長。如圖 2-4所示，步行的一個跨步分為單相支撐期和雙相支撐期兩個階段。單腿支撐相 期間表現(xiàn)為一條腿接觸地面，另一條腿處于擺動中，因此這一時期又被稱為某條 腿的擺動相。它從一只腳離開地面開始到同只腳與地面發(fā)生碰撞結束。在人的步 行運動中，單腿支撐相占跨步時間的80%-90%。雙腿支撐相是兩條腿同時接觸 地面的時期，在人的步行運動中，這一狀態(tài)只占跨步周期的10%-20%。由圖2-4 可見，單相支撐期長而雙相支撐期較短。就單下肢腿而言，又分為支撐相和擺動 相，如上所述，在單相支撐期，有一條腿占用一部分跨步時間和地面接觸，即為 支撐相，該腿為支撐腿，可以支撐身體以及改變前進速度。同樣，另一條腿占用 一定的跨步時間向前擺動，作為擺動相，處于擺動相的腿成為擺動腿，這期間擺 動腿離開地面向前擺動至下一個支撐相。在一個跨步中左右腿均分別占有一個支撐相和一個擺動相，但支撐相和擺動相的時間一般不相同。因此兩腿運動的相互 關系常常是定義運動模式的一個因素。例如，跑動中左右腿的運動就是完全不同 步的，而跳躍中兩腿的運動就完全是同步的。 圖2-4 單腿步行運動序列及狀態(tài)劃分 從力學特性來看，當人在行走時，通過后腳對地面的作用而獲得地面對人的 推力，從而產生向前的加速度。當人的前腳著地的時候，地面對人的作用是阻礙 其向前運動的，因此，會使人產生負的加速度，即人做減速運動。人在不斷地邁 步前進的過程中，推力在做周期性的變化，加速度也就做周期性的變化。隨著重心的前移，最終完成向前跨步動作。 步行中相關運動參考點的運動軌跡是描述步行運動的又一指標。關節(jié)點的軌 跡曲線是行走的時間序列上捕獲相關參考點的運動位置，在離散位置點插值或擬 合而成的參考點運動曲線。 人體下肢的運動主要運動是矢狀面內的屈/伸運動，圖2-5所示為單腿的骸關節(jié)和膝關節(jié)的矢狀面軌跡曲線。仿真環(huán)境下直觀的連續(xù)獲取圖像觀察得到的主要參考點的矢狀面軌跡 。腳掌的運動及踝關節(jié)在支撐狀態(tài)矢狀面的軌跡如圖2-6所示。 圖2-5 單腿運動演示運動軌跡圖 圖2-6 腳掌運動及踝關節(jié)軌跡 己知關節(jié)的運動角度變化數(shù)據(jù)，根據(jù)人體運動的實際情況研究各個關節(jié)點的 運動軌跡也可以采用解析求解方法。 (3)各關節(jié)在步行運動中的功能分析 根據(jù)上述分析知，下肢各關節(jié)活動范圍大小各不相同，同時決定了各個關節(jié) 在步行運動中的功能有所不同。 圖2-7為理想直行的運動序列模型。步行中，矢狀面的3個屈伸運動自由度 是前行的最主要運動。理想直線行走的過程中，骸關節(jié)額狀面收展運動較小，主要調節(jié)單相支撐時身體左右兩側的重心平衡，水平面旋內、旋外自由度主要控制 運動方向的改變，調節(jié)運動平衡并影響步幅大小。身體的一個跨步中，骸關節(jié)側 轉實質上是由兩個球窩關節(jié)的轉動和兩條腿的步態(tài)相位差來完成。在跨步過程 中，骸關節(jié)內外旋運動使軀干水平面內兩側骸關節(jié)前后傾斜，重心前移。 圖2-7 下肢骨骼步行運動模型 膝關節(jié)做屈伸運動，運動直接影響跨步長，同時，在慣性矩作用下調節(jié)矢狀 面的運動平衡。 踝關節(jié)屈伸用于調節(jié)人體相對于地面的受力點，以此控制步行起停與支撐狀 態(tài)的平衡，而收展和旋轉運動主要調節(jié)支撐狀態(tài)下的受力平衡。 第三章 穿戴式機械腿機構設計 3.1穿戴式機械腿設計 外骨骼連桿尺寸的確定要依據(jù)穿戴者的骨骼關節(jié)尺寸設計。根據(jù)前面章節(jié)的論述，人體的各個部位長度之間的相對比例是基本固定的。按圖2-11 b)，人的總身高為H，則骸關節(jié)中心距為0.191H,骸關節(jié)與地面的距離為0.530H，膝關節(jié)至地面為0.285H，而踩關節(jié)至地面為0.039H。由此可以得到各個關節(jié)之間的相對長度，即大腿長為0.245H，小腿長為0.246H，腳底距踩關節(jié)中心為0.039H o在構型設計時充分考慮了身高兼容性，在較大范圍內具有適應性，所以連桿尺寸要可調整。例如大多數(shù)人身高在155-185cm之間，因此其大腿、小腿連桿長度變化范圍各應允許10厘米左右的可調整范圍。 3.1.1三維模型設計 此模型有14個旋轉副，單下肢各7個，骸部關節(jié)有收展、屈伸和旋轉運動3DOF，膝關節(jié)1DOF，腳踩關節(jié)有相互正交的屈伸、收展和旋轉3DOF。另外大腿位置設計了凸輪滑槽與滑移副機構。模型整體裝配圖及模型腿部如圖3-1示及3-2所示。 圖3-1 模型整體裝配圖 兩條機械腿可以擺動，可以完成一個步行序列，擺動最大角度可為45度，保證人正常行走，并且表面打光滑，沒有什么毛糙部分，這樣既美觀又安全，使人能夠舒適穿戴此機械腿。 圖3-2 模型腿部 腿部模型包括大小腿，3個關節(jié)型，開孔是為了調整長度，因為人的身高有高矮，下面會對大小腿和關節(jié)型做詳細說明。 3.1.2膝關節(jié)、踝關節(jié)及腳部設計 膝關節(jié)有1DOF，完成沿額狀軸的較大幅度的屈伸活動，可通過調整穿戴位置與骨骼膝關節(jié)同軸。膝關節(jié)的三維設計如圖3-3。 圖3-3 膝關節(jié)設計 此關節(jié)，我覺得是最好的關節(jié)型，因為，它轉動幅度大，安裝方便，還比較安全美觀，不過這種關節(jié)型，潤滑是最重要的，畢竟中間沒有滾珠，都是面與面接觸，所以我設計這種模型，需要定期加潤滑油，減少表面粗糙度。 腳踝設計也存在骸關節(jié)同樣的問題，即收展關節(jié)運動不同軸而產生的偏差?？紤]到腳踝外側空間位置及腳部的連接，盡量使設計緊湊、貼近人體，從而減小偏差。三關節(jié)運動副外側布置，沿小腿連桿方向從上到下依次為屈伸運動副、收展運動副和旋轉運動副。屈伸關節(jié)運動副與骨骼踝關節(jié)屈伸同軸線。壓力信息通過連接件與腳踝部分相連接的檢測鞋測得。檢測鞋與腳面有綁縛約束。腳踝設計，安裝效果如圖3-4，3-5及旋轉連接器3-6。 圖3-4腳踝設計 此腳踝solidworks 3維圖，結構比較符合人的小腿部分，與人體協(xié)調，設計也比較美觀。 圖3-5 腳踝安裝效果圖 腳踝關節(jié)，跟上面關節(jié)型一樣，它也有轉動幅度大，安裝方便，還比較安全美觀等特點，同樣，潤滑是最重要的，中間沒有滾珠，都是面與面接觸，所以我設計這種模型，也需要定期加潤滑油，減少表面粗糙度。 圖3-6 旋轉連接器 設計這個圖形時，參考了一篇論文，不過，我簡化了，他使用了滾珠去作為潤滑工具，我覺得這雖然比較不錯，不過對于我來說，一切簡單實用是最好的原則，使用面與面接觸，平常多加潤滑劑即可。 腿部連桿上有約束，膝以上約束位于外骨骼膝關節(jié)以上連桿根部膝關節(jié)附近。通過骸部的布位構型和大小腿近膝關節(jié)約束保證了外骨骼穿戴緊湊，人機膝關節(jié)同步，協(xié)調誤差小。連桿在大小腿部分分別以較適合的空間位置以人體接近。腳部設計，跟平常鞋子一樣，使人腳穿進去，固定，不滑動，在腳的兩側開孔，使得腳夾子能裝上，這樣使得腳能夠實實在在固定，如圖3-7腳部設計及3-8腳夾子設計。 圖3-7 腳部設計圖 此結構最容易設計錯誤的是安裝兩側小孔的螺釘，我們需要安裝螺釘，但是螺釘頭較大時，容易抵觸地面，使穿戴著行走不舒適，所以此點要注意。 圖3-8 腳夾子設計圖 其中腳夾子開孔處，插入螺紋，使得兩個對應的孔對齊，然后直接使用螺釘固定。材料我使用一般牛皮材料，為了實用該機構的人，能夠舒服地穿上。 3.1.3下肢連接器 根據(jù)人的身高情況，上下連接器，我開了多個孔，就是為了調節(jié)身高，身高高的，我們只需要兩個轉接最前面的孔對齊，然后，插入螺釘，最后固定，同理可以得出矮身高的大小腿長度。如下圖連接器圖3-9。 圖3-9連接器 3.1.4大小腿彈簧助力器及保護 此裝置需要助力器，通過研究，我使用四根彈簧連接，使得人在步行時能夠得到助力，考慮到，彈簧直接裸露到外面，與人體直接接觸，我們需要管子，把它們套在里面，保護人體，這樣既能夠得到助力，又能保護，如圖3-10彈簧，3-11管子。 圖3-10 彈簧 彈簧，我使用了4根，其最大作用就是助力，作為支撐使用該機構人的外力機，我這彈簧跟一般彈簧不同，我兩端生成圓環(huán)，為了就是能套上旋轉連接器突出的圓柱體。 圖3-11 管子 管子我使用了3個，大腿位移大，相互對插，里面裝彈簧，而小腿，通過自己研究及參考人體運動規(guī)律，小腿位移小，我直接連接上，就是單單作為保護裝置，不過，下面管子使用塑性材料，可以滿足一般形變。 3.1.5下肢骸部設計 為了消除骸關節(jié)兩旋轉關節(jié)的穿戴干涉，在背部添加了背部旋轉運動副。骸 關節(jié)的3DOF位置關系由圖3-12所示。矢狀面的運動范圍較大，收展運動要滿 足內收和外展兩個方向的運動，因此設計要充分考慮空間關系和限位。按照構型 設計的要求，收展關節(jié)位于背后，其軸線與屈伸關節(jié)軸線匯交于穿戴者骸關節(jié)中 心，旋轉位于腿部外側屈伸關節(jié)上部，轉軸位于屈伸軸線正交處，屈伸關節(jié)位于 外側軸線并通過人體模型骸關節(jié)中心。骸部機構安裝腰部支撐，骸部收展關節(jié)位 于體后側，可調整骸部安裝位置來保證收展關節(jié)軸線過骸關節(jié)球窩中心。機械零 部件設計和安裝效果如圖3-13所示。 圖3-12 骸關節(jié)的3DOF位置關系 圖3-13 骸部機械設計圖 其中腰帶扣，跟上下連接器一樣，需要調節(jié)大小，因為人有胖瘦，所以，我在兩端開了幾個孔，跟腰帶對齊。其中3-14為腰帶，3-15為腰帶扣。 圖3-14 腰帶 圖 3-15 腰帶扣 腰帶扣就是為了固定腰帶，通過兩者孔對齊情況，使得它的腰部可以伸縮。 3.1.6 腿部固定 圖3-16 腿固定器 突出的圓柱，上面導螺紋，與轉接上的一小孔連接，可使大小腿不會脫離該裝置。中間開了兩個小孔，為了通繩子，這樣，可以固定在兩個大小腿上，如圖3-16所示。 第四章 強度校核 4.1 關節(jié)旋轉連接器受力分析。 關節(jié)旋轉轉接器的工作能力就是指它的強度、剛度和振動穩(wěn)定性等方面。關節(jié)旋轉連接器的工作能力主要取決于它的強度，所以我們要進行它的強度校核，以防止斷裂或塑性變形。進行強度校核時，根據(jù)具體受載及應力情況，通過solidworks上的SimulationXpress應力計算，可以對此機構的強度校核情況有個很全面，直觀的看法