减重台架式下肢康复机器人结构设计和分析.docx
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减重台架式下肢康复机器人结构设计和分析
单位代码10006
学号********
分类号TH122
毕业设计（论文）
减重台架式下肢康复机器人结构设计和分析
院（系）名称
机械工程及自动化学院
专业名称
机械工程及自动化
学生姓名
指导教师
张建斌
2017年6月
北京航空航天大学
本科生毕业设计（论文）任务书
Ⅰ、毕业设计（论文）题目：
减重台架式下肢康复机器人结构设计和分析
Ⅱ、毕业设计（论文）使用的原始资料（数据）及设计技术要求：
1、髋关节屈伸范围：
-20°~30°
2、膝关节屈伸范围：
-45°~0°
3、踝关节屈伸范围：
-30°~35°
4、行进步速：
110步/min
Ⅲ、毕业设计（论文）工作内容：
减重台架式下肢康复机器人具有结构简单，穿戴方便，康复效果稳定等特点。
本课题拟提出一种新的下肢外骨骼机械结构构型，设计一种新型的弹性驱动器。
重点考虑下肢主要关节的运动性能同时，使其具有穿戴性好，质轻，结构简单等优点
毕设的主要工作内容为：
在了解下肢康复机器人的研究背景研究现状等，完成减重台架式下肢康复机器人机械结构设计，绘制一些相关零件的零件图。
对系统进行简单的动力学分析后，使用ADAMS进行基本的仿真。
Ⅳ、主要参考资料：
饶玲军.下肢外骨骼行走康复机器人研究[D].上海：
上海交通大学，2012.
郭卫东.虚拟样机技术与ADAMS应用实例教程[M].北京：
北京航空航天大学出版社
陈景藻.康复医学[M]北京：
高等教育出版杜,2001
王勇利.基于电机控制的低阻抗弹性驱动器设计[D].哈尔滨：
哈尔滨工业大学，2010.
机械工程及自动化学院（系）机械工程及自动化专业类130712班
学生
毕业设计（论文）时间：
年月日至年月日
答辩时间：
年月日
成绩：
指导教师：
兼职教师或答疑教师（并指出所负责部分）：
系（教研室）主任（签字）：
本人声明
我声明，本论文及其研究工作是由本人在导师指导下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。
作者：
签字：
时间：
2017年6月
减重台架式下肢康复机器人结构设计和分析
学生姓名：
指导教师：
张建斌
摘要
减重台架式下肢康复机器人是下肢康复外骨骼中康复效果较为稳定、穿戴性好、可拥有多套步态控制方案的典型结构。
现有的减重台架式下肢康复机器人设计中，由于系统均采用了刚性原件，导致了在步行训练中由于刚性冲击带来的震动容易造成患者的二次损伤，此外，在尺寸兼容性方面由于调整范围较小，使用舒适度较差。
针对目前的康复需要，本文设计了一款减重台架式下肢康复机器人，分别对髋部模块，膝关节模块，踝部及足部模块，腰部固定模块进行了结构设计和分析。
在此基础上还着重设计了一套运用在膝关节处的直流伺服电机驱动直线弹性驱动器。
并对驱动器的结构进行了分析，对相关的一些传动零件做了计算分析。
之后运用理论力学基本知识对下肢康复机器人系统进行了相关动力学模型的推导，得出了关键动力学方程，为以后的控制初步建立了理论基础。
并对于建立好的三维模型导入仿真软件进行了简单的动力学仿真。
这套减重台架式下肢康复机器人相比之前的成果，添加了膝关节弹性驱动结构，改善了系统刚度，提高了穿戴舒适性。
关键词：
减重台架式，弹性驱动器，动力学方程
Thestructuredesignandanalysisofweightracklowerlimbrehabilitationrobot
Author:
Tutor:
ZhangJian-Bing
Abstract
Theweightracklowerlimbrehabilitationrobotisrelativelystable,andwearableinlowerlimbrehabilitationexternalskeleton.It’sthetypicaltypesofmultiplesetsofgaitcontrolschemes.Inthisdissertation,wefirstunderstandthephysicalconditionsandrehabilitationneedsofpatientswithspinalcordinjuryandparalysisofthelowerlimbs.Thenanalyzetheresearchsituationoftheexternalandboneofthelowerlimbs.Inthedesignofweightracklowerlimbrehabilitationrobot,becausethesystemusestherigidityoftheoriginal.Resultingintheshockcausedbyrigidshockinwalkingtrainingwhichcaneasilycausethepatient'stwoinjury.Inthedimensioncompatibility,becauseofthesmallerdesignscope,users’comfortispoor.
Aimingattheneedofrehabilitation,thisdissertationintroducesthedesignofaweightracklowerlimbrehabilitationrobot.Respectivelyonthehipjointmodule,kneemodule,ankleandfootmodule,lumbarfixationmoduledidthestructuraldesignandanalysis.Basedonthis,asetofDCservomotordrivinglinearelasticactuatorisdesignedandappliedinthekneejoint.Thestructureofthedriverisanalyzed,andsomeoftherelevantpartsarecalculatedandanalyzed.Then,thebasicknowledgeoftheoreticalmechanicsisusedtodeducetherelativedynamicsmodeloftherehabilitationrobotsystem,thekeykineticequationisobtained.Alsothetheoreticalbasisfortheinitialcontrolwasestablished.Fortheestablishmentofgoodthree-dimensionalmodelimportsimulationsoftwareforasimpledynamicsimulation.Thisresultsofweightracklowerlimbrehabilitationrobotcomparedtotheprevious,theelasticdrivestructureofthekneeisadded,thestiffnessofthesystemisimproved,andthecomfortofthewearisimproved.Theimprovementofthefuturemechanicalstructureismade.
Keywords:
Weightrack，Elasticactuator，Kineticequation
第一章绪论
1.1课题背景及意义
1.1.1课题背景
近些年来，脊髓损伤（SCI）这种中枢神经系统疾病的发病率有逐年升高的态势。
脊髓损伤是因冲击力施加于脊椎而导致的脊髓破坏。
脊髓是人体绝大多数神经信号的传输渠道。
因而脊髓受损主要症状在于神经传输通道中断所造成的知觉丧失。
脊髓损伤造成的偏瘫或截瘫极大地影响了患者参加社会劳动能力和生活水平。
一些发达国家已经在这个领域进行了积极的研究，研究成果也使得一些患者能够重新走上社会，而且也在一定程度上增长了他们的寿命，医学水平的发展让他们不仅能从创伤中存活下来，康复治疗的发展还能让他们逐渐回归正常生活。
在我国脊髓损伤这些年也得到了更多的关注，包括汶川地震，甘肃临洮地震等自然灾害，以及一些社会治安问题中造成的脊髓损伤。
都给这些截瘫或者偏瘫患者生活上带来了巨大的负担和心理上沉重的压力。
因而寻求有效的康复途径，使患者伤情能够一定程度上得到缓解甚至治愈，不但可以提高患者自身生活能力，也能为社会减少负担。
对于这些偏瘫或截瘫患者来说，能够脱离轮椅的束缚重获一定活动能力是他们最大的愿望，针对他们的站立式康复训练能够促进他们下肢的血液循环系统和神经系统，阻止长期坐姿导致的肌肉萎缩和痔疮，改善血液循环。
因此为下肢偏瘫或截瘫患者设计一款能够有良好康复效果的下肢康复外骨骼是有其必要性的。
外骨骼机器人是指一种带有一定仿生功能外部机械装置的可穿戴式机器人。
近些年机器人技术水平飞速发展，外骨骼机器人也从起初仅运用于军事方面逐渐发展进步，并康复医学结合起来，形成了利用下肢外骨骼康复平台，对有着完整下肢但失去全部或部分下肢运动能力的病人进行一系列康复训练，这是近些年来高速发展的新兴技术。
这种手段可以有效缓解传统康复训练中以下三个明显的缺陷：
1、对康复人员技术水平要求高，国内缺乏合格的专业康复师。
2、康复师体力负荷大，难以维持长时间稳定的运动训练。
3、康复师的工作经验以及工作态度对康复效果影响较大，康复质量难以把握。
让康复医师能够将更多地注意力调整到病人病情上，保证整个康复治疗效果的稳定。
1.1.2课题意义
失去了行动能力和基本生活自理能力的截瘫或偏瘫患者，长期坐在轮椅或卧在病床上，随之产生的一些并发症如：
深部静脉血栓及肺栓塞，尿路感染引发的尿毒症，肺部感染，褥疮的严重并发症败血症，心血管的并发症等脊髓损伤发病后期对患者生命最大的威胁，有效的站立式康复训练能够在一定程度上缓解这些问题的产生。
脊髓损伤导致的截瘫及其并发症主要症状有：
（1）关节僵硬和畸形，肌肉萎缩和痉挛。
（2）呼吸道感染：
卧床肺活量小，异物排出困难而致使呼吸道感染。
（3）尿路感染：
尿潴留长期滞留，发生的尿结石和泌尿系统感染。
（4）褥疮：
截瘫患者皮肤无知觉且血液循环不畅产生的褥疮，会引发的炎性渗出导致血液感染，引发败血症。
这也是脊髓损伤并发症致使患者死亡的主要因素。
（5）心血管并发症
由于脊髓损伤更常见于一些青壮年劳动力的身上，影响了患者的生活自理能力，也给他们心灵上带来了极大地创伤，同时给他们的家庭给社会都带来了沉重的负担。
将外骨骼机器人技术运用于康复医疗技术中，通过精细的步态控制与合理的结构设计，可以给患者带来更好的康复体验，为患者早日脱离轮椅和病床作出贡献。
使用下肢康复外骨骼有以下显著的疗效：
（1）对关节附近的肌肉做了拉伸和牵引，防止关节畸形，预防肌肉长期不运动导致的肌肉萎缩和自发性骨折。
（2）改善了泌尿系统和循环系统的循环功能，促进了消化系统以及肾，膀胱等正常的排泄，有效减少尿路感染的发生。
（3）增强了静脉血液回流能力，从而加强了心肺功能。
（4）加大了活动量，防止了长期对皮肤的挤压，降低了褥疮的发病率，能够有效减少并发症的发生。
（5）可以刺激患者下肢神经系统，有益于神经系统功能的复原。
1.2国内外基本研究现状及发展趋势
1.2.1下肢外骨骼研究起步
下肢外骨骼机器人开发起源于1980年左右，在90年代步入了高速发展阶段。
早期有关外骨骼机器人的研究主要目的是为了让机械来加强人体的生理机能。
如1965年GE公司研究的名为Hardman如图1-1所示Hardman使用电机驱动主从控制，可让穿戴者轻而易举的抬起120千克左右的物体。
但由于其670KG的庞大体积重量，以及高达30多个自由度，采用了内外双层外骨架结构的复杂机械结构，使得Hardman操作复杂，穿戴困难，腿部不协调。
整个机器人也不能实现无外物支撑的平衡自主运动，于是GE公司最后放弃了研究。
图1-1Hardman外骨骼机器人
1.2.2康复外骨骼的研究现状
下肢传统康复方法是由康复师手把手地完成康复步骤，这样不仅康复师本身的劳动强度大，而且难以提供持续稳定的康复运动训练。
康复质量也由于康复师本身的经验水平状态等的影响而参差不齐。
进入21世纪以来，随着人们物质水平的提高和科学技术的发展，对于康复医疗器械提出了更高的要求。
下肢外骨骼康复机器人的研究正好迎合人们对于稳定康复医疗器械的需求。
而目前下肢外骨骼康复机器人从其机械结构形式可分为：
卧式、减重台架式、独立行走式，下面将会从这三种类型对国内外研究现状进行概述。
1.2.2.1卧式康复外骨骼
图1-2Erigo的使用效果示意图
卧式康复外骨骼可以解决患者在康复前期不适用站立式康复外骨骼的问题。
现阶段常使用在临床的下肢康复外骨骼医疗器械多数是站立式。
虽然具有相对完备的康复功能，但在康复患者穿戴康复外骨骼时，对于脊髓损伤的截瘫或者偏瘫患者，一般需要3-4位康复医师才能完成穿戴，并且过程比较繁琐和困难。
由瑞士的Hocoma公司设计制作的Erigo脊髓损伤前期康复系统（如图1-2）。
这套康复系统使卧病在床的神经系统病人处于床体在0-80°的可调倾斜状态，并且可以让患者下肢进行较小幅度的摆动，因而可以提高康复效果减少并发症的产生。
这套卧式康复外骨骼优势在于：
基于患者康复前期行动极为不便的特点开发，通过可调倾斜度的与床体绑定的机械结构与简单的踏步系统共同作用，可以在康复早期起到不错的辅助治疗效果。
但存在着明显的缺点：
下肢踏步系统关节设定的转脚小，康复功能局限性很大。
在国内，清华大学在康复系统方面研究时间比较长，研究内容也更深入。
得益于国家“863计划”的大力支持，于21世纪初开始进行机器人技术运用康复工程的研究，并且很快在四年后进行了临床运用，获得了大量康复数据。
图1-3所示是清华大学研发的卧式绳索牵引康复系统。
其基本功能是由串联的绳索牵引机构来完成的，由患者上肢驱动通过柔性绳索牵引机构来进行下肢的运动。
但其存在着需要患者自己驱动且康复功能过于单一的缺陷。
图1-3卧式绳索牵引机构
1.2.2.2减重台架式下肢康复外骨骼
由瑞士著名Hocoma公司和Blagrist康复机构携手开发Locomat下肢康复步行机器人是这种下肢康复外骨骼的代表作品，如图1-4所示。
Locomat研发成功于1999年并在两年后成功推向一些康复中心，又在之后几年完成了进一步的完善。
Locomat开创了能让下肢运动功能受损的患者在自动医用跑步机上完成减重式步行康复流程的先河。
该康复系统通过一组悬挂装置来进行减重，平衡控制则通过一套具有旋转装置的矩形机构实现。
同时为了适应各种不同体型患者的需求，该系统中各种的杆件都设计成长度可调整式。
为了患者舒适度着想，固定患者位置的部分都运用了柔软的材料护垫。
Locomat采用在机器人腿部固连的两台伺服电机作为驱动装置。
两部电机安装于腰部模块和膝关节上方，驱动对应丝杠螺母的传动机构，使机器人腿部杆件来回摆动来完成步态的模拟。
同时，Locomat的关节处都安置了相应传感器，采集关节处运动的速度，角度，力等相关信息，并将之反馈给相连的控制主机。
Locomat突出的优点在于：
①减重台架式的设计可以对较长康复流程的患者不同时期进行不同程度的减重练习，设备使用周期较长。
②设置了能够采集患者相关运动数据的传感器，有益于对病情的监测和评价，从而让康复医师进行相应康复计划的变动。
③康复过程具有良好的重复性，提供了稳定的康复效果。
④可通过相应界面方案，提高患者参与康复训练的主观能动性。
多种步态模式的控制系统可调整外骨骼的辅助力大小，通过与动力装置固连的力传感器可以测试出患者自身能提供运动力的大小，通过这些活动力的数据采集对外骨骼主要驱动力进行从0到一定数值的范围内调整。
通过这种反馈调节来完成患者在不同身体状况下多种康复方案。
⑤Lokomat多处设置了尺寸调节装置，可为不同身体状况的患者提供尺寸的定制方案，以此来完成机器人各杆件长度的调整。
Locomat优势在于：
提供多部位支撑，后驱动。
缺点在于步态控制模式设计方案很少，穿戴过程比较复杂。
（a）穿戴训练效果图
（b）关节结构示意图
图1-4Locomat训练效果及关节结构示意图
由陈笃生医院和新家坡南洋理工大学合力开发了一套含有骨盆辅助控制功能的康复外骨骼。
它是由电机驱动，在满足下肢运动的自由度前提上可以对踝、膝、髋三个关节进行运动控制，但由于整个系统都是刚性的、全约束的机构，对患者有较大的强迫性，会使患者感到很不适，加入了一些被动的柔性机构改善了以前的弊端。
骨盆部位由一组多边形杆件系统来实现控制。
原理图如1-5所示。
每一边的平行四边形支撑模块都由2个电机分别驱动，各控制平行四边形支架的相邻两杆从而能够让输出端通过对夹角的调整到达所需位置。
美国加州大学采用并联汽缸给外骨骼提供驱动力，研发了一种控制人体骨盆运动的辅助行走机器人。
机器人共有3个方向的平移和2个方向的旋转运动，即包含5个自由度。
在控制腰部的运动方面，使用气缸调整骨盆框架的两输出端点位置即（PAM）。
同时在减重设计方面采用了悬挂式支撑机构（BWS）固连在医用跑步台的伸出杆处。
图1-6即测试人员在进行系统数据的分析实验过程。
位于芝加哥的康复系统开发中心与当地康复器械生产企业合力研发了一种通过对患者腰部运动的控制来完成下肢康复训练的机器人KinAssist如图1-7所示。
通过对患者腰部运动控制来实现人类正常步态的运动，同时也具有相应的平衡系统。
KinAssist主要功能帮助下肢运动功能受损的患者提供步行康复，腰部运动控制行走机构模块位于受训者后方，为患者提供稳定的固定同时也能提供充足的运动行程，优化了康复体验。
该机器人通过固定装置，连接装置，支撑系统三个部分实现对腰部运动的控制。
位于支架模块前的驱动系统可控制训练者背部xyz方向的平移和三方向的绕轴转动，位于后段的支撑系统能够完成对患者腰部的拉高，躯干的转动和倾斜，以及来回的摆动。
在保证了比较好的安全性的同时，为患者提供了多种训练模式，兼具步行，平衡，摆动等功能。
KinAssist最显著的特色是同时能够进行主动和被动双重控制功能，规避了普通刚性康复系统给患者的强迫性约束，具有更好的适应性。
但是这套系统不适用于不具备一定行走能力的患者，且结构复杂笨重，价格高昂，不适合普通家庭使用。
由美国研制的Motorica在KinAssist的基础上做了一些改进。
为了减低整套机器人的穿戴难度，将驱动装置由原来的后驱改为了前驱。
其具备了KinAssist的下肢被动行走运动的功能外，有了穿戴简单，有很好的可调性的优势。
但依然有步态单一，功能局限性大的劣势。
源自德国的下肢康复机器人MGT也是减重台架式产品之一，它采用了两套曲柄摇杆机构通过具有反馈控制的计算机控制。
但其自由度少，功能不够完备，不能实现复杂的运动规律。
图1-10ALEX康复数据收集
美国的特拉华大学研发了一套主动驱动的下肢康复机器人ALEX，可以为有行动功能损伤的患者提供比较稳定的康复流程。
如图1-10，开发者提出了力场控制，为这套下肢康复外骨骼加上了重力补偿，使得附加力恰好满足患者的康复需要，不会给患者造成二次损伤。
驱动装置采用了直线推杆。
在系统控制方面，研发组先对正常成人在不同的步行速度下运动中的受力，各关节运动位置以及速度峰值，单步的初始点等进行记录，找出关键特征点，做参数化后的回归分析。
以大量的数据进行不同步态方案的设计。
同时前置的显示屏可以为患者提供实时的步态可视化数据，帮助记录患者的康复运动情况。
1.2.2.3独立行走式
图1-11IHMC穿戴效果图
位于美国佛罗里达的人与机器认知研究院开发了一种名叫IHMC的独立行走外骨骼如图1-11所示。
目的在于辅助因脊髓损伤导致的下肢行动困难实现自主步行。
该外骨骼每条腿都有五个自由度，包括三个安置了驱动器的主动自由度，含髋关节、膝关节的曲伸运动，髋关节的内旋和外展运动。
以及两个未安置驱动器的被动自由度，包括踝关节的跖屈背屈以及髋关节的内外轴旋。
人在运动过程中，关节不是固定的绕轴旋转，而是轴心做平面运动的同时，腿绕轴转动。
这里设计的时候简化为固定的绕关节中心轴运动，并在关节处装了旋转弹性驱动器来驱动。
这样可以很好的解决刚性系统带来的强迫性，在与地面接触时很好的吸收了着地时的冲击力，拥有很好的柔顺性。
但由于下肢行动障碍的患者不能通过髋关节的被动外展内收来控制前进方向，因此在IHMC的改良版去掉了这一自由度。
在平衡方面，设计者加入了拐杖来实现行走过程中的平衡。
图1-12HAL结构示意图
日本筑波大学的Cybrnics实验室开发了行走式下肢康复机器人HybridAssistiveLimb即HAL，比较有效解决了在康复训练后期一出现步态不稳的问题，如图1-12。
HAL与其他下肢外骨骼相比具有的独特优势在于它具有两套控制系统，生物意图控制系统（CVC）和主动控制系统（CAC），通过与穿戴者皮肤连接的传感器收集肌肉电信号，由意图控制系统来控制驱动装置。
而CAC则通过在控制计算机上设定好的步态控制模式，来完成固定的助力动作，它可以保存多种正常人的运动模型。
HAL详细工作原理为：
当穿戴者尝试行走时，大脑会向肌肉发出电信号，当信号到达指定运动肌肉后，在肌表会产生生物电。
此时由连在患者肌肉处的肌电传感器来收集肌电信号并传输给计算机，计算机计算分析信号后，分析需要驱动力的大小，并执行相应动作。
HAL使用了多种传感器收集数据，肌电传感器，角度传感器，触碰力传感器等来获得穿戴HAL患者的使用情况信息。
HAL可以赋予步态紊乱的穿戴者以5Km/h速度步行能力，和90-190Kg的负重能力。
但由于其所有的系统都是由后置的背包中的动力供应装置提供，所以不支持较长时间的运动。
1.3课题研究方法
在课题研究上我主要建立在对有关脊髓损伤以及下肢瘫痪的康复医学理论的了解，同时考虑医学康复机器人的要求制定总体方案。
主要进行机器人的机械结构设计方面并对运动控制进行相应理论分析。
最后选定合理的减重台架式下肢康复机器人方案。
1.4论文构成及研究内容
1.4.1研究内容
（1）人体下肢关节运动理论基础。
包括各关节的运动原理以及标准成人下肢的运动数据和肢体尺寸。
（2）机器人主体结构设计与分析。
包括对应关节处的驱动机构以及连接机构的设计使其能较好的复合康复机器人设计的要求。
同时保证多方面的尺寸都是可调的，用以满足不同体型、身高穿戴者的需求。
传感器的布置也在方案中予以考虑。
（3）膝关节驱动机构中添加了一款弹性驱动器，来解决刚性系统的强迫性问题，同时也能缓解足部着地时的冲击力。
（4）对于机器人做相关运动理论分析，为以后给机器人设计控制系统打下基础。
1.4.2论文构成
为了更清楚的展示整篇文章的研究内容，下面对论文的构成进行简单介绍：
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