康复机器人的系统设计文档格式.docx

1、图1.1.图1.2中的步行训练机，它的功能单一、价格便宜, 而且需要在专业护理人员的帮助下进行康复训练，这种机械对下肢病情比较 轻的病人较合适。图步行训练机 图1.2悬挂式步行训练机随着机器人技术和康复医学的发展，人们对人的行走步态有了比较清楚 的认识，开发出了一些符合人体康复需要的产品。德国柏林自由大学（Free University of Berlin）开展了腿部康复机器人的 研究，并研制了 MGT型康复机器人样机（图13）。瑞士苏黎士联邦工业大学（ETH）在腿部康复机构、走步状态分析方面也 取得了一些成果，在汉诺威2001年世界工业展览会上展出了名为 LOKOMAT（图1.4）的康复机器

2、人模型。LOKOMAT机器人主要由步态矫正 器、先进的体重支持系统和跑台组成。LOKOMAT机器人以使用者为根本, 通过对机器人的行为、耐心、合作及运动功能进行评估,建立了一种更为有效的治疗方式，即：机器人先侦测使用者的运动，并且跟随使用者的运行轨迹 而不是强制使用者按照预定的轨迹运动，通过机器人的自适应功能，来满足 使用者的不同需求，它可以调整训练参数以适合不同患者的需要。图13 MGT型康复机器人图1.4 LOKOMAT机器人德国柏林的IPK研究所研制的Robotic Gait Rehabilitation,通过一个可 编程控制的脚踏板来带动患者实现步态的轨迹模拟，这个脚踏板由直线电机 带

3、动实现往复直线运动，脚踏板支撑部分类似于二自由度机械臂，由两个伺 服电机驱动|7】（图15）。图 15 robotic gait rehabilitation 系统在试验中美国加州大学伯克利分校的科学家研制出一种机器人称为“伯克利末端 外骨骼”（BLEEX） I, BLEEX包括可以牢牢地固定在使用者脚上但又不会 和使用者摩擦的金属支架，以及用来承载重物的背包式外架和动力设备等， 这种机器人除了可以帮助正常人增加负载能力外还可以帮助下肢残疾的病 人行走，一定程度上恢复下肢功能（图1.6）。海址机械毕业设计.请联系Q99872184图 16 BLEEX日本筑波大学Cybernics实验室的科学家

4、和工程师们，研制出了世界上第 一种商业外骨骼机器A（Hybrkl Assistive Leg, HAL）*”图1.7）,准确地说，是 自动化机器人腿：“混合辅助腿”。这种装置能帮助残疾人以每小时4公里的 速度行走，亳不费力地爬楼梯。除HAL“混合辅助腿”外，日本还研制成功了 一种全身性外骨骼机器人。神奈川理工学院研制的“动力辅助服”【9】（Po、ver Assist Suit）（图1.8）可使人的力量增加0.51倍，使用肌肉压力传感器分析佩 戴者的运动状况，通过复杂的气压传动装置增加人的力量。这种装置最初是 为护士研制的，用来帮助她们照料体重较大或根本无法行走的病人。现在已 经有残疾人在这种机

5、器人的帮助下实现了登山运动。图17 HAL机器人图 1 8 Power Assist Suit美国NPH研究中心开创了机器人系统量化步行能力和步态失调的研究领域，根据活动依赖神经系统的可塑性，量化和评估模式肌电图在步态等方面的作用，建立数学模型模拟的感觉运动障碍。图19为NPH的机器人在实验中。图19 NPH的机器人在进行试验在我国，康复医疗工程已经得到了普遍重视，康复训练机器人广阔的应 用前景将推动康复机器人技术的进一步发展。我国对康复机器人的研究起步 比较晚，辅助型康复机器人的研究成果相对较多，康复训练机器人方面的研 究成果则比较少。清华大学在国内率先研制了卧式下肢康复训练机器人样机 在这

6、项成果中他们采用了虚拟现实技术卩叭哈尔滨工程大学在康复机器人方 面也取得了不错的成果。哈尔滨工程大学研制的下肢康复机器人可以模拟正 常人行走的步态、踝关节的运动姿态以及重心的运动规律，带动下肢做行走 运动，实现对下肢各个关节的运动训练、肌肉的锻炼以及神经功能的恢复训 练。通过获取脚的受力状态、腿部肌肉状态和下肢关节状态等人体的生物信 息，协调重心控制系统和步态系统的运动关系，使之与人体运动状态相协调, 获得最佳训练效果。图1.10、图1.11所示分别为哈尔滨工程大学研制的卧式下肢康复机器人和基于步态姿态控制的下肢康复机器人系统】。图19卧式下肢康复机器人图110下肢康复训练机器人1.3本课题主

7、要研究内容本文“基于姿态控制步态康复训练系统的设计”的研究目的是设计出一 种可以辅助下肢有运动功能障碍的老人或残疾人进行功能恢复训练的康复 机器人，工作重点是机器人机械本体的结构设计，要考虑安全性、可靠性、 柔顺性，同时进行了气动控制系统的设计。课题内容主要包括：1 步态康复训练系统的结构方案设计及运动学分析，包括人体行走的步 态、自由度的设计、基本参数的选取、整体结构设计等。2.机器人机械本体结构的设计与计算，包括姿态控制结构设计和减重结 构设计。3.机器人驱动器的供气控制系统的设计。第2章总体方案设计与选择的论证2.1步态分析下肢康复机器人是对有脑损伤、中风等病人进行主动康复训练的自动化

8、机械装置。它可以帮助患者进行运动机能恢复性训练，进行主动式步态训练。支撑期和摆动期。支撑期是当脚和地面接1个步行周期分为两个时期，触的时间，它占了一个步行周期的62%。摆动期是脚在空中的时间，它占了 一个步行周期的38%。足跟接地即进入支撐期，足趾离地进入摆动期。支撑 期占步行周期62%（其中单侧肢体支撑期占37%,双侧肢体支撑期占25%）, 摆动期占步行周期的38%。双侧肢体支撑期中包括预承重期和摆动前期，各 占步行周期12%。各时期划分及有关具体内容如下:双侧肢体支撑期。为双 足着地、由双侧肢体支撑体重的时期，又分为被测下肢在前的“前足着地双 足支撑期”（预承重期）和被测下肢在后的“后足蹬

9、地双足支撑期”（摆动前期）2 个时期。预承重期是从被侧足足跟着地至对侧足趾离地的时期;摆动前期是从 对侧足足跟着地至被侧足足趾离地的时期。一侧足的预承重期即为对侧足的 摆动前期。（2）单侧肢体支撑期。仅由被测足承担体重的时期，即从对侧足足趾离地至对 侧足足跟着地的时期，也是对侧肢体摆动期。（3）摆动期。被测足不接触地面 的时期，即从被测足足趾离地至同侧足跟着地的时期，也是对单侧肢体支撑 期。步态各重要阶段动作：（1）脚后跟受:一般的步态历程，最开始的动作为右脚接触到地面的瞬 间，也就是后脚跟刚与地面接触的动作；（2）前脚完全承载:在脚后跟受力后，脚掌渐渐贴附地面，直到脚掌完 全贴合地面，此刻即

10、为前脚完全承载；（3）支撑段中期:当右脚完全程载后，左脚开始摆动，摆动后右脚瞬间 的动作即为支撑段中期；（4）脚后跟离地:左脚摆动过右脚后，右脚后跟离开地面的动作成为脚 后跟离地；（5）脚指离地:右脚后跟离地后，紧接着脚尖离地，此时即为右脚离开 地面的瞬简，我们称之为脚指离地，由于它是右脚摆动前的动作，所以也称 为预先摆动；（6）摆动中期:右腿摆动过左腿的瞬间动作，此时的动作为支撑段中期。 在一个步态周期的各个时间点，各个关节的角度和所受到的力矩不同。下面从图22图2.7显示了一个75kg的人以1.3m/s的步行速度在平地上走时，髏关节、膝关节、踝关节三处关节在一个步行周期内不同阶段的转角和

11、力矩变化 I131I141I15。图22步行周期内踝关节的角度变化图23踝关节力矩变化由图2.2、23可知步行时踝关节处力矩的最大值为-120N,角度范围为 2015。由图2.4、25可知步行时踝关节处力矩的最大值为60N,角度范围为 700由图26、2.7可知步行时踝关节处力矩的最大值为-80N,角度范围为 2030为了模拟人体行走的正常步态，更科学合理有效的进行下肢康复训练， 所设计的康复机器人下肢各关节的运动（角度、力矩）和人体行走时关节的 运动（角度、力矩）应该近似。为本设计就是根据这个原则进行设计的。c c C2 3 4 2C7C图24膝关节的角度变化图25膝关节的力矩变化STANC

12、ESWING3020o O2 160201 Sue4002 0.4 0.6 0 8time 806040200.20FN&nbJqt她6叫翳矩变化图272.2方案的选择本设计的主要工作是设计出一个下肢有六个自由度（下肢每一条腿有3 个自由度）的康复机器人及其相应的框架和减重机构（一个自由度），然后 绑在人腰部和下肢上，分别带动髏关节、膝关节和踝关节的运动，从而训练 相应部位的肌肉，帮助使用者恢复下肢的运动功能，机构模型如图2.8。它由 减重机构、姿态控制机构、运动平板等组成。阪1 r o -tn w A减重机构可以承担患者的一部分体重，减轻病腿的负荷，还可以调节人 体的重心上下浮动。减重机构在

13、人体行走时提供的是一个恒力，它由一个气 缸通过滑轮驱动。运动平板通过电机驱动，能调节速度，使适应人体行走的不同速度需要。姿态控制机构主要模仿人体下肢关节的功能结构。由气缸驱动的仿人体 下肢带动人体下肢运动。关节是人体运动的枢纽，是传递载荷、保持能量、 协助运动的重要器官。关节长期制动，会使肌肉的破坏负最大载下降，能量 储存也会明显减少，最终会导致肢体的完全瘫痪。用关节运动来带动肌肉进 行收缩运动，可以恢复和保持肌肉的收缩功能。騷肩关节、膝关节、踝关节是人体下肢关节中的三个主要关节O关节的运动学特征主要包括两部分：一是关节的活动幅度，二是如何达 到这个活动范围。本设计就是根据这个原则进行的。2.

14、2.1自由度的设计此处删减 NNNNNNNNNNNNNNNN 字查表的材料的许用挤压应力为Q,=30MPa。挤压应力远小于许用挤压应力，销轴的强度满足要求。3.5.5双头螺柱的校核4F腰部可调结构中的双头螺柱是腰部与外部框架链接的受力部分，主要受 到轴向工作载荷F=600N,其拉伸强度条件为：（3.12）其中d严28, j=250MPa,由公式（3.12）可得: o-=lMPa3,电缆侧出，安装盘最大 外经425o具体组装方式见装配图。2.拉力传感器的选择本设计中人体重量60kg,所以选择拉力传感器选择的型号为JLB乙量 程为lkNo3.6减重系统分析及相关计算1.减重系统分析如图3.14所示

15、，人体重量为m,气缸提供的拉力为F0, R 为作用在人体的剩余重力，R=mg-F0.JRdFq1mmg图314减重不意图设S为减重比例，则（i-s）。人体行走时重心在竖直平面内上下 移动，人体在竖直平面内存在加速度。若F。不为恒力,则人体肌肉提供重心 加速度的功不是最小。所以要使减重气缸提供的力几为恒力。2.减重系统汽缸地选择本设计中w=60kg , S最小为0,则减重气缸提供的最大拉力为 7?=/ng（l-S）=6OO No取气缸的负载率/=70%,气缸理论输出力F妒/?W=857N。由公式（3.6）、（3.7）及气体压力P=0.6MPa,取活塞杆径d=03D, D 为气缸活塞直径，计算出D

16、=46 inino选择的气缸参数为缸径50mm,行程 50mmo 气缸型号为DNG-50-50-PPV-Ao3.7本章小结本章是在前几章对总体方案设计的基础上，主要设计计算了各个关节中 的零件、各个具体结构。主要的设计计算有：连杆、深沟球轴承、销轴、螺 柱，以及驱动器气缸计算校核，以及减重系统的设计计算和传感器的选择。海虽机械毕业设计.请联系Q99872184第4章 供气与控制系统的设计本章对气缸供气系统进行设计，并简单介绍控制系统功能主框图和控制 系统所需完成的功能的特点。4.1供气系统的设计4.1.1供气回路设计针对气缸的工作情况，设计气动系统回路如图4.1所示。1-空气压缩机2-后冷却器

17、3-主路过滤器4-空气干燥器5-气罐6-截止阀7-除油器8-除臭器9-空气过滤器10-减压阀11-压力表12-小气罐13-比例下面介绍供气系统中的各元件的作用和型号的选择。4.1.2气动元件的选择1、空气压缩机空气压缩机的作用是通过电动机驱动将大气压力状态下的空气压缩成 较高的压力，输送给气动系统。空气压缩机按压力高低可分为低压型 （0.2- l.OMPa）、中压型（1.010MPa）和高压型（10MPa）。气缸的供 气压力为0.6MPa,所以选择低压型空气压缩机。空气压缩机按工作原理分为三类：活塞式、螺杆式和透平式。本设计的 场合是医院、康复中心、家庭等，要求空气压缩机的振动和噪声要小。螺杆

18、 式空压机的脉动小，振动小，噪音小，符合本设计的要求，所以选择螺杆式 空气压缩机。（1）空气压缩机的输出压力几（41） 式中Pa 一空压机的输出压力，MPa；P 一一 动元件的最高使用压力，MPa；为切一一启动系统的总压力损失，MPa。本设计中P=0.6MPa,力=01502MPa,由公式（41）可得：p a=0.75-0.8MPa（2）空气压缩机的吸入流量的Qa = kqb （4.2）式中如 空压机的吸入流量，m*min（ANR）；qb 气动系统的平均耗气量，m3/min （ANR）；k 正系数，肚152.0。本设计中=0.6m3/min （ANR）,由公式（4.2）可得:a=0.1m3/i

19、nin （ANR）（3）空气压缩机的功率P海量机械毕业设汁.请联系Q99872184式中P 空压机的功率，kW；Pi 一一吸入空气的绝对压力，MPa；K 等爛指数，=1.4；Pa 一一输出空气的绝对压力，MPa；qa 空压机的吸入流量，m3/min （ANR）；/I 一一中间冷却器个数。本设计中刃=0.1MPa, pa=08MPa, a= 0.1m3/min （ANR）, n=lf 由公式（4.3） 可得：P=l35kW所选的空气压缩机型号为：德国BOGE公司的微油螺杆式空压机CL3, 排气量：231LAIIN,工作压力：8BAR,马达功率：2.2KW,2、后冷却器从空压机中输出的压缩空气温度

20、可达180,在此温度下，压缩空气中的 水分完全呈气态，如直接送入气罐和气动设备，将会带来不良后果。后冷却 器的作用就是将从气泵出来的高温空气冷却至40C以下，将大量水蒸气和变 质油雾冷却成液态水滴和油滴，以便将它们清除掉。后冷却器分为风冷式（HAA系列）和水冷式（HAW系列）两种。风冷 式它是靠风扇产生的冷空气吹向带散热片的热气管道来降低压缩空气温度 的。占地面积小、重量轻、紧凑、运转成本低，适用于进口空气温度低于100 C, 处理空气量较少的场合。风冷式的这些特点很适合本设计的要求，选用SMC 公司的HAA22,主要参数见表41。*4.1风冷式后冷却器（HAA22）的技术参数额定流（L/mi

21、 n）最高使 用压力 （MPa）适用压 缩机功 率（kW）口温c） 一进气 一出口空 气温度Cc）3301.0225 100403、主管路过滤器气体经空气压缩机后，先经过主管道到各支管管道，在主管道中设置主 管过滤器，在支管中再按工作需要装置各种除尘、除油和除臭的过滤器。主 路过滤器的作用是清除压缩空气中的油污、水、粉尘等，以提高下游干燥器 的工作效率，延长精密过滤器的使用寿。本设计选用SMC公司AFF系列中的AFF22B型号主路过滤器，主要参数 见表4.2。表4.2 AFF22B主路过滤器的主要参数4、空气干燥器压缩空气经后冷却器、主管路过滤器得到初步的净化后，仍含有一定量海址机械毕业设计.

22、请联系Q99S72184的水蒸气。气动回路在充排气过程中，元件内部存在高速流动处或气流发生 绝热膨胀处，温度要下降，空气中的水蒸气就会冷凝成水滴，这对气动元件 的工作产生不利的影响，所以需要干燥器来进一步清除水蒸气。干燥器就是 用来清除水蒸气的。干燥器有高分子隔膜式、冷冻式和吸附式等。为了使用的方便，本设计 选用高分子隔膜式干燥器（IDG系列）。这种干燥器的特点是：体积小、重 量轻、无需排水器，带露点显示器，不用氟利昂，不用电源，无震动，无排 热，使用寿命长，安装方便，除水率高等。符合本设计的要求，所以本设计 所选用SMC公司的IDG系列中的IDGH型号，它的主要参数如表4.3。表43 IDG

23、H的技术参数进口压 力范 围（M Pa）一环介度 一cmin） 一输 一空气点 出大露C） 输气压 出OmaJ （4 4）5 7）式中：气动系统的最大耗气量，单位：L/min；人一气动系统允许的最低工作压力，单位：MPa；必一突然停电时，气罐内的压力，单位：几一大气压力，取Pa =01 MPa；/一停电后，应维持气动系统正常工作时间，单位：So式中 =100L/min, P,=0.6MPa, /?, =lMPa, Z=20s,可得V/Mh,=10Lo 气罐选择了SMC公司的AT6C型号，技术参数见表5.4。表44 AT6C的技术参数6、戳止阀截止阀的作用是：在执行元件不需要工作时或气动系统出现问题时，用 来切断通路，或是它后面的通路中出现问题需要维修时，用来切断该部分支 路，不去影响其它支路的工作。截止阀选择扬中市华威电力设备厂YZJ2A J23W/H型外螺纹截止阀。7、除油器除油器可以分离掉主路过滤器和空气过滤器难以分离掉0.35 ” in气状 溶胶油粒子及大于0.3“m的锈末、碳粒，这些微粒会加速气动元件的损坏。本设计中采用SMC公司的AM550的除油器，技术参数见表5.5。表45 AM550主路过滤器的主要参数额定使用压力额定流量环境和介 流量（L/