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1、1 2 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展 ,肢體康復(fù)機(jī)器人技術(shù)作 為機(jī)器人技術(shù)的一種 ,得到了迅速的發(fā)展 。 下肢康 復(fù)機(jī)器人能夠輔助下肢運(yùn)動(dòng)功能障礙患者模擬正 常人的步態(tài)規(guī)律作康復(fù)訓(xùn)練運(yùn)動(dòng)，從而鍛煉患者 下肢肌肉，恢復(fù)神經(jīng)系統(tǒng)對(duì)行走功能的控制能力 以及患者正常走路機(jī)能。 對(duì)腳踏式下肢康復(fù)機(jī)器人工作空間進(jìn)行了分析， 提出了腳踏式下肢康復(fù)機(jī)器人的總體方案，介紹 機(jī)器人控制系統(tǒng)。 運(yùn)用 繪圖 軟件對(duì)機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行 構(gòu)件 設(shè)計(jì) , 闡述了機(jī)器人工作原理。分析現(xiàn)有的下肢康復(fù)機(jī) 器人技術(shù)特點(diǎn)，闡明了本腳踏式下肢康復(fù)機(jī)器人 的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)和機(jī)械原理基礎(chǔ)知識(shí) 為整個(gè)下肢康復(fù)機(jī)器人 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 提供了理論依據(jù)。
2、 3 4 1. 康復(fù)理論 康復(fù)機(jī)器人是一種特殊的機(jī)器人，它的受用對(duì) 象的病人，所以在進(jìn)行下肢康復(fù)機(jī)器人研究時(shí)必須 了解康復(fù)醫(yī)學(xué)知識(shí)，懂得運(yùn)動(dòng)康復(fù)機(jī)理。本文對(duì)下 肢康復(fù)機(jī)器人治療原理進(jìn)行了分析。 2. 機(jī)器人總體設(shè)計(jì) 根據(jù)腳踏式下肢康復(fù)機(jī)器人的工作空間以及模 擬正常人步態(tài)軌跡研究和設(shè)計(jì)了機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)。 3.機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 5 建立了機(jī)器人主體機(jī)構(gòu)模型并說(shuō)明其工作原 理及其創(chuàng)新點(diǎn) ,同時(shí)對(duì)機(jī)器人主要零部件、主要 連接機(jī)構(gòu)、主要傳動(dòng)進(jìn)行了 說(shuō)明 。 4.機(jī)器人控制系統(tǒng)研制 分析了康復(fù)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(tái)的搭建。 2.1下肢結(jié)構(gòu)模型 6 人體下肢運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)
3、主要包括 髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)，各關(guān) 節(jié)運(yùn)動(dòng)關(guān)系如圖所示 ，通過(guò)三個(gè) 主要運(yùn)動(dòng)特性的比較可知，各關(guān) 節(jié)的共同運(yùn)動(dòng)為屈、伸運(yùn)動(dòng)。 通過(guò)對(duì)下肢各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)特性 分析，可以建立下肢的簡(jiǎn)單剛體 模型。 2.2步態(tài)分析 7 一個(gè)步態(tài)周期包括支撐期和擺動(dòng)期，一側(cè)足跟著地期為支 撐，離地期為擺動(dòng)期。 支撐期站一個(gè)步態(tài)周期的 60%，擺動(dòng)期 占一個(gè)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(fù)機(jī)器人總體設(shè)計(jì) 8 2.2下肢康復(fù)機(jī)器人總體設(shè)計(jì) 下肢康復(fù)機(jī)器人是幫助下肢運(yùn)動(dòng)障礙患者進(jìn)行運(yùn)動(dòng)機(jī)能恢 復(fù)性訓(xùn)練 ,盡可能模擬正常人，使患者下肢的運(yùn)動(dòng)功能得到鍛 煉和恢復(fù)。
4、首先，下肢康復(fù)機(jī)器人應(yīng)該具有合理的結(jié)構(gòu) ,滿(mǎn)足機(jī)器人空 間設(shè)計(jì)要求。 其次，下肢康復(fù)機(jī)器人應(yīng)該具有足夠的安全性。結(jié)構(gòu)上 ,患 者的下肢運(yùn)動(dòng)空間不能與牽引機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)空間發(fā)生干涉 ,同時(shí) 運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)不能對(duì)對(duì)患者下肢產(chǎn)生過(guò)大的牽引力。最后 ,下肢康 復(fù)機(jī)器人屬于醫(yī)療設(shè)備范疇 ,應(yīng)該無(wú)噪聲、無(wú)污染、外觀漂亮 , 以利于患者更好的康復(fù)訓(xùn)練。 2.4下肢康復(fù)機(jī)器人的性能指標(biāo) 1.承載能力應(yīng)達(dá)到 85kg; 2.占地應(yīng)小于 1平米 3.能康復(fù)下肢髖、膝、踝關(guān)節(jié) ,具有 6自由度 （ F=3n (2PL +Ph ) n:活動(dòng)構(gòu)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(jìn)行主被動(dòng)訓(xùn)練 6.具有可移動(dòng)性 ; 7.最高訓(xùn)練次數(shù)可到 60次 /每分鐘 ; 8.訓(xùn)練器工作時(shí)噪音小、無(wú)明顯震動(dòng) 2.5 康復(fù)機(jī)器人總體方案 11 腳踏式下肢康復(fù)機(jī)器人的總體方案由機(jī)器人本體和控制部分 組成 。 機(jī)器人本體 :包括步態(tài)機(jī)構(gòu)、左腳踝姿態(tài)機(jī)構(gòu)、右腳踝姿態(tài)機(jī) 構(gòu)和支撐機(jī)構(gòu) ,兩姿態(tài)機(jī)構(gòu)位于步態(tài)機(jī)構(gòu)兩側(cè) ,對(duì)稱(chēng)布置 ,支撐機(jī) 構(gòu)用于定位放置步態(tài)機(jī)構(gòu)、姿態(tài)機(jī)構(gòu)和控制平臺(tái) ; 控制部分 :完成機(jī)器人各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制功能和機(jī)器人狀態(tài)的 檢測(cè) ,同時(shí)實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面交互 ,控制機(jī)器人速度 ,機(jī)器人狀態(tài)顯示 等功能。 腳踏式下肢康復(fù)機(jī)器人的總體方案由機(jī)器人本體和控制部分 組成
6、。 機(jī)器人本體 包括步態(tài)機(jī)構(gòu)、左腳踝姿態(tài)機(jī)構(gòu)、右腳踝姿態(tài)機(jī) 構(gòu)和支撐機(jī)構(gòu) 兩姿態(tài)機(jī)構(gòu)位于步態(tài)機(jī)構(gòu)兩側(cè) 對(duì)稱(chēng)布置 支撐機(jī) 構(gòu)用于定位放置步態(tài)機(jī)構(gòu)、姿態(tài)機(jī)構(gòu)和控制平臺(tái) 控制部分 完成機(jī)器人各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制功能和機(jī)器人狀態(tài)的 檢測(cè) 同時(shí)實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面交互 控制機(jī)器人速度 機(jī)器人狀態(tài)顯示 等功能。 12 整個(gè)下肢康復(fù)機(jī)器人是根據(jù)人體處于坐姿時(shí)膝關(guān)節(jié) 和腳踝關(guān)節(jié)屈伸運(yùn)動(dòng)時(shí)的運(yùn)動(dòng)原理，設(shè)計(jì)一個(gè)可以實(shí)現(xiàn) 患者下肢六個(gè)關(guān)節(jié)的康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)。步態(tài)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)整個(gè) 下肢的運(yùn)動(dòng) ,姿態(tài)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)下肢踝關(guān)節(jié)的位姿運(yùn)動(dòng)。 通過(guò)功率驅(qū)動(dòng)電路 ,來(lái)驅(qū)動(dòng)控制步態(tài)機(jī)構(gòu)和姿態(tài)機(jī)構(gòu) 的兩個(gè)電機(jī) ,從而達(dá)到驅(qū)動(dòng)控制下肢康復(fù)機(jī)器人的目的。 選用
7、電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)方式。步態(tài)電機(jī)和姿態(tài)電機(jī)都采 用伺服電機(jī)，伺服驅(qū)動(dòng)器總是與其對(duì)應(yīng)的同等功率的伺服電 機(jī)一起配套使用。通過(guò)脈沖輸入接口來(lái)接受從上位控制器發(fā) 來(lái)的脈沖序列，進(jìn)行速度和位置的控制，通過(guò)數(shù)字量接口信 號(hào)來(lái)完成驅(qū)動(dòng)器運(yùn)行的控制和實(shí)時(shí)狀態(tài)的輸出 。 14 2.6機(jī)械部分總體結(jié)構(gòu) 它由大電機(jī) 1、小電機(jī) 2、磁粉制動(dòng)器 3、底座 4、座架 5、把手 6、操作臺(tái) 7、箱體 8、連桿 9、同步帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 10、踏板 11組成。 2.7 系統(tǒng)控制部分 所述控制系統(tǒng)獨(dú)立 于 機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)，通過(guò)數(shù)據(jù)線(xiàn)與機(jī) 器人本體連接在一起， 并 進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練控制，包括硬件和軟件 ， 所述硬件部分包括計(jì)算機(jī)和與其
8、數(shù)據(jù)線(xiàn)分別連接的顯示器， 多 軸 運(yùn)動(dòng)控制 卡 ，驅(qū)動(dòng)器、位置傳感器和力傳感器 ， 所述位置傳 感器有四個(gè)，分別集成在四個(gè)直流 伺服 力矩電機(jī) 力 矩電機(jī)內(nèi)， 通過(guò)數(shù)據(jù)線(xiàn)輸出 膝關(guān)節(jié) 和膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)信息 ， 所述力傳感器有 四個(gè) ， 分別安裝在所述左、右大腿機(jī)構(gòu)和左、右小是機(jī)構(gòu)的柔 性連接帶中，用于通過(guò)數(shù)據(jù)線(xiàn)輸出患者 下 肢與機(jī)器人之間的干 涉力 。 所述軟件包括用戶(hù)模塊 、 實(shí)時(shí)控制模塊和康復(fù) 效果評(píng)價(jià) 模塊。 總結(jié) 首先根據(jù)人體參數(shù)和步態(tài)軌跡對(duì)下肢康復(fù)機(jī)器人工 作空間進(jìn)行了分析 ,然后根據(jù)康復(fù)機(jī)器人總體設(shè)計(jì)要求 設(shè)計(jì)了總體方案 ,步態(tài)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)整個(gè)下肢的運(yùn)動(dòng) ,姿態(tài)機(jī) 構(gòu)實(shí)現(xiàn)下肢踝關(guān)節(jié)的位姿
9、運(yùn)動(dòng)。最后設(shè)計(jì)出腳踏式下 肢康復(fù)機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)。 參考文獻(xiàn) 1李軍強(qiáng) ,王娟 ,趙海文 ,等 .下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)分析 J.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造 ,2013(9):220-223. 2郭素梅 ,李建民 ,吳慶文 ,等 .Lokomat全自動(dòng)機(jī)器人步態(tài)訓(xùn)練 與評(píng)定系統(tǒng)的應(yīng)用 J.中國(guó)醫(yī)療設(shè)備 ,2011,26(3):94-96. 3馬素慧 ,劉丹 ,郝正偉 ,等 .Lokomat康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人對(duì)腦卒中 患者下肢運(yùn)動(dòng)功能恢復(fù)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(fù)訓(xùn)練機(jī)器人步態(tài)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) J.機(jī)械設(shè)計(jì)與研究 ,2006,22(5):59-62.
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