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1、1 2 隨著科學技術的發(fā)展 ,肢體康復機器人技術作 為機器人技術的一種 ,得到了迅速的發(fā)展 。 下肢康 復機器人能夠輔助下肢運動功能障礙患者模擬正 常人的步態(tài)規(guī)律作康復訓練運動，從而鍛煉患者 下肢肌肉，恢復神經(jīng)系統(tǒng)對行走功能的控制能力 以及患者正常走路機能。 對腳踏式下肢康復機器人工作空間進行了分析， 提出了腳踏式下肢康復機器人的總體方案，介紹 機器人控制系統(tǒng)。 運用 繪圖 軟件對機器人主體結(jié)構進行 構件 設計 , 闡述了機器人工作原理。分析現(xiàn)有的下肢康復機 器人技術特點，闡明了本腳踏式下肢康復機器人 的技術優(yōu)點。根據(jù)機械設計和機械原理基礎知識 為整個下肢康復機器人 結(jié)構設計 提供了理論依據(jù)。
2、 3 4 1. 康復理論 康復機器人是一種特殊的機器人，它的受用對 象的病人，所以在進行下肢康復機器人研究時必須 了解康復醫(yī)學知識，懂得運動康復機理。本文對下 肢康復機器人治療原理進行了分析。 2. 機器人總體設計 根據(jù)腳踏式下肢康復機器人的工作空間以及模 擬正常人步態(tài)軌跡研究和設計了機器人總體結(jié)構。 3.機器人機械結(jié)構設計 5 建立了機器人主體機構模型并說明其工作原 理及其創(chuàng)新點 ,同時對機器人主要零部件、主要 連接機構、主要傳動進行了 說明 。 4.機器人控制系統(tǒng)研制 分析了康復控制策略 ,確立了集中控制的控 制方式 ,完成了總體 控制平臺的搭建。 2.1下肢結(jié)構模型 6 人體下肢運動關節(jié)
3、主要包括 髖關節(jié)、膝關節(jié)、踝關節(jié)，各關 節(jié)運動關系如圖所示 ，通過三個 主要運動特性的比較可知，各關 節(jié)的共同運動為屈、伸運動。 通過對下肢各關節(jié)運動特性 分析，可以建立下肢的簡單剛體 模型。 2.2步態(tài)分析 7 一個步態(tài)周期包括支撐期和擺動期，一側(cè)足跟著地期為支 撐，離地期為擺動期。 支撐期站一個步態(tài)周期的 60%，擺動期 占一個步態(tài)周期的 40%，其中單側(cè)肢體支撐期占 40%，雙側(cè)肢 體支撐期占 20%。 2.3下肢康復機器人總體設計 8 2.2下肢康復機器人總體設計 下肢康復機器人是幫助下肢運動障礙患者進行運動機能恢 復性訓練 ,盡可能模擬正常人，使患者下肢的運動功能得到鍛 煉和恢復。
4、首先，下肢康復機器人應該具有合理的結(jié)構 ,滿足機器人空 間設計要求。 其次，下肢康復機器人應該具有足夠的安全性。結(jié)構上 ,患 者的下肢運動空間不能與牽引機構的運動空間發(fā)生干涉 ,同時 運動機構不能對對患者下肢產(chǎn)生過大的牽引力。最后 ,下肢康 復機器人屬于醫(yī)療設備范疇 ,應該無噪聲、無污染、外觀漂亮 , 以利于患者更好的康復訓練。 2.4下肢康復機器人的性能指標 1.承載能力應達到 85kg; 2.占地應小于 1平米 3.能康復下肢髖、膝、踝關節(jié) ,具有 6自由度 （ F=3n (2PL +Ph ) n:活動構件數(shù)， PL：低副約 束數(shù) Ph:高副約束數(shù) ） 4.能近似模擬正常人行走步態(tài)軌跡和腳
5、步位姿 ; 5.能進行主被動訓練 6.具有可移動性 ; 7.最高訓練次數(shù)可到 60次 /每分鐘 ; 8.訓練器工作時噪音小、無明顯震動 2.5 康復機器人總體方案 11 腳踏式下肢康復機器人的總體方案由機器人本體和控制部分 組成 。 機器人本體 :包括步態(tài)機構、左腳踝姿態(tài)機構、右腳踝姿態(tài)機 構和支撐機構 ,兩姿態(tài)機構位于步態(tài)機構兩側(cè) ,對稱布置 ,支撐機 構用于定位放置步態(tài)機構、姿態(tài)機構和控制平臺 ; 控制部分 :完成機器人各執(zhí)行機構的控制功能和機器人狀態(tài)的 檢測 ,同時實現(xiàn)人機界面交互 ,控制機器人速度 ,機器人狀態(tài)顯示 等功能。 腳踏式下肢康復機器人的總體方案由機器人本體和控制部分 組成
6、。 機器人本體 包括步態(tài)機構、左腳踝姿態(tài)機構、右腳踝姿態(tài)機 構和支撐機構 兩姿態(tài)機構位于步態(tài)機構兩側(cè) 對稱布置 支撐機 構用于定位放置步態(tài)機構、姿態(tài)機構和控制平臺 控制部分 完成機器人各執(zhí)行機構的控制功能和機器人狀態(tài)的 檢測 同時實現(xiàn)人機界面交互 控制機器人速度 機器人狀態(tài)顯示 等功能。 12 整個下肢康復機器人是根據(jù)人體處于坐姿時膝關節(jié) 和腳踝關節(jié)屈伸運動時的運動原理，設計一個可以實現(xiàn) 患者下肢六個關節(jié)的康復訓練機構。步態(tài)機構實現(xiàn)整個 下肢的運動 ,姿態(tài)機構實現(xiàn)下肢踝關節(jié)的位姿運動。 通過功率驅(qū)動電路 ,來驅(qū)動控制步態(tài)機構和姿態(tài)機構 的兩個電機 ,從而達到驅(qū)動控制下肢康復機器人的目的。 選用
7、電動機驅(qū)動的驅(qū)動方式。步態(tài)電機和姿態(tài)電機都采 用伺服電機，伺服驅(qū)動器總是與其對應的同等功率的伺服電 機一起配套使用。通過脈沖輸入接口來接受從上位控制器發(fā) 來的脈沖序列，進行速度和位置的控制，通過數(shù)字量接口信 號來完成驅(qū)動器運行的控制和實時狀態(tài)的輸出 。 14 2.6機械部分總體結(jié)構 它由大電機 1、小電機 2、磁粉制動器 3、底座 4、座架 5、把手 6、操作臺 7、箱體 8、連桿 9、同步帶傳動機構 10、踏板 11組成。 2.7 系統(tǒng)控制部分 所述控制系統(tǒng)獨立 于 機器人的機械結(jié)構，通過數(shù)據(jù)線與機 器人本體連接在一起， 并 進行康復訓練控制，包括硬件和軟件 ， 所述硬件部分包括計算機和與其
8、數(shù)據(jù)線分別連接的顯示器， 多 軸 運動控制 卡 ，驅(qū)動器、位置傳感器和力傳感器 ， 所述位置傳 感器有四個，分別集成在四個直流 伺服 力矩電機 力 矩電機內(nèi)， 通過數(shù)據(jù)線輸出 膝關節(jié) 和膝關節(jié)的運動信息 ， 所述力傳感器有 四個 ， 分別安裝在所述左、右大腿機構和左、右小是機構的柔 性連接帶中，用于通過數(shù)據(jù)線輸出患者 下 肢與機器人之間的干 涉力 。 所述軟件包括用戶模塊 、 實時控制模塊和康復 效果評價 模塊。 總結(jié) 首先根據(jù)人體參數(shù)和步態(tài)軌跡對下肢康復機器人工 作空間進行了分析 ,然后根據(jù)康復機器人總體設計要求 設計了總體方案 ,步態(tài)機構實現(xiàn)整個下肢的運動 ,姿態(tài)機 構實現(xiàn)下肢踝關節(jié)的位姿
9、運動。最后設計出腳踏式下 肢康復機器人總體結(jié)構。 參考文獻 1李軍強 ,王娟 ,趙海文 ,等 .下肢康復訓練機器人關鍵技術分析 J.機械設計與制造 ,2013(9):220-223. 2郭素梅 ,李建民 ,吳慶文 ,等 .Lokomat全自動機器人步態(tài)訓練 與評定系統(tǒng)的應用 J.中國醫(yī)療設備 ,2011,26(3):94-96. 3馬素慧 ,劉丹 ,郝正偉 ,等 .Lokomat康復訓練機器人對腦卒中 患者下肢運動功能恢復的影響 J.山東醫(yī)藥 ,2012,52:52-54 4劉軍凱 ,孫寧 ,黃美發(fā) .下肢康復訓練機器人步態(tài)運動機構設計 J.機械設計與研究 ,2006,22(5):59-62.
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