下肢外骨骼行走康复机器人研究.docx

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下肢外骨骼行走康复机器人研究

下肢外骨骼行走康复机器人研究

下肢外骨骼行走康复机器人研究（申请上海交通大学硕士学位论文）培养单位:

上

海交通大学塑形成形技术与装备研究院专业:

材料加工工程研究方向:

数字化制造

技术导师:

谢叻教授硕士生:

饶玲军二?

一二年二月RESEARCHOF

LOWER-LIMBEXOSKELETONWALKINGREHABILITATIONROBOTAThesis

SubmittedtoShanghaiJiaoTongUniversityForMasterDegreeMasterCandidate:

RAO

LingjunSupervisor:

Prof.XIELeDepartmentofPlasticityEngineeringShanghaiJiaoTongUniversityFebruary，2012上海交通大学硕士学位论文摘要下肢外骨骼行走康

复机器人研究摘要外骨骼机器人ExoskeletonRobot是一种可穿戴在操作者身体

外部的一种机械装置，提供保护、身体支撑和运动等功能。

本文首先学习了脊髓损

伤的医学理论以及截瘫产生的原因，明确下肢外骨骼机器人的任务和目标。

利用下

肢外骨骼行走康复机器人辅助患者摆脱轮椅重新站立并行走，不仅可以帮助截瘫患

者在生活上更加自立，而且可以恢复患者部分肌肉功能，降低脊髓损伤后并发症发

生的概率。

在研究过程中，分析人体下肢的生理结构和运动学，脊髓损伤后截瘫患

者的生理特征，包括截瘫后下肢的表现，异常运动模式与运动功能恢复形式。

在此

基础上，分析人体下肢的结构和运动学，结合人机系统的设计要求，将机器人的设

计方案制定为辅助人体下肢髋、膝、踝三个关节同时参与运动的外骨骼式机器人。

按

照这一方案，设计了下肢行走康复机器人的机械结构，并研制了样机。

该机器人是

一款有驱动的下肢外骨骼式机器人，包括了外骨骼本体和拐杖模块。

外骨骼机器人

单下肢具有三个自由度，分别是髋关节的屈曲/伸展;膝关节的屈曲/伸展;踝关节

的跖屈/背屈，利用较少的自由度来实现行走，降低了机构的复杂程度，提高了装置

的效率。

髋关节和膝I上海交通大学硕士学位论文摘要关节的运动通过驱动器实

现，该驱动器是在滚珠丝杠副基础之上加了两对受压弹簧，这可以有效地实现运动

的缓冲和模拟关节运动时肌肉的动作方式;踝关节自由度通过一副对拉弹簧实现，

可以有效地减少地面的对外骨骼本体的冲击能量。

拐杖模块是外骨骼机器人的控制

开关，同时也可以平衡患者行走时的重心，拐杖模块与下肢外骨骼本体机械上独立

并与外骨骼本体电连接。

外骨骼机器人通过采集拐杖与地面的接触信息来控制膝关

节和髋关节的屈伸运动，从而帮助患者实现跨步行走。

针对研制的外骨骼机器人模

型出现的问题，为后续研究者提出了改进建议。

关键词:

截瘫，下肢，康复行走，

机器人，外骨骼II上海交通大学硕士学位论文ABSTRACTRESEARCHOF

LOWER-LIMBEXOSKELETONWALKINGREHABILITATIONROBOT

ABSTRACTRehabilitationrobotisawearablemechanicaldevicewhichcanprotecttheoperatorsupportthebodyandhelptheoperatortowalk.Inthispapertheparaplegiacausedbyspinalcordinjuryhavebeenstudiedmakedefiniteofthemissionsandgoalsofthelowerextremityexoskeleton.Makinguseoflowerextremityexoskeletonrobottohelppatientsgetridofawheelchairtostandandwalkagainwhichcanhelpparaplegicsbemoreself-reliantintheirdailylivesandalsorestorepatients’somemusclefunction.Inthe

courseofthestudyafterunderstandingthecharacteristicsofparaplegiaafterspinalcordinjuryincludingtheperformanceoflowerlimbabnormalmovementpatternsandmotorfunctionrecoverypatterns.Thenthepaperlearnedthecommonmovementtreatmentafterparaplegia.Onthisbasisitanalyzedthestructureandkinematicsofhumanlower-limb.Combinedwithman-machinesystemdesignrequirementswedevelopthedesignproposaloflowerlimbexoskeletonrobotwhichassistedhipkneeanklejointsmoveatthesametime.1上海交通大学硕士学位论文ABSTRACTAccordingtothisschemethepaper

designedthemechanicalstructureofthelowerextremityexoskeletonrobot.Therobotconsistexoskeletonandcrutchmodulewhichweredrivenbytheelasticactuator.Eachlegoftheexoskeletonhasthreedegreesoffreedomnamelythehipflexion/extensionkneeflexion/extensionankleplantarflexion/dorsiflexiontaketheadvantageoftheindispensableDOFstodrivetherobotwhichcanreducethecomplexityofthestructureandimprovetheefficiencyofthedevice.Theformertwowasdrivenbytheactuator.Theactuatorisbasedonballscrewwhichconsistthetwopairsofcompressionspringsthiscanbeaneffectivewaytoachievetoreducethevibrationandsimulatedmuscleactionduringjointmovement.Thelatermovementcamefromonepairofpullspringwhichcanreducetheimpactenergyfromtheground.Thecrutchesmoduleisnotonlythecontrolswitchoftheexoskeletonrobotbutalsocanbalancethecentergravityofthepatientswhenwalking.Thecrutchmoduleisindependentwiththeexoskeletonbutconnectwiththeexoskeletoninelectrical.Bythewayofcollectingcontactinformationbetweencrutchesandthegroundwecancontrolthekneeandhipflexionandextensionthushelpingpatientstoachievestep.Duetotheproblemoftherobotmodel，Ihave

proposedsomerecommendationsforthefollow-upresearcher.Keywords:

paraplegialower-limbrehabilitationwalkrobotexoskeleton2上海交通大学硕士学位论文目录

目录摘

要..........................................................................................................................................

.....

IABSTRACT........................................................................................................................

..............1第一章绪

论..................................................................................................................................11.1

课题的背景和意

义.........................................................................................................................11.1.1

课题的背

景..............................................................................................................................11.1.2

课题的意

义..............................................................................................................................21.2

课题的国内外研究现状和发展趋

势.............................................................................................31.2.1国外研究现

状..........................................................................................................................31.2.2

国内研究现

状........................................................................................................................121.2.3

下肢外骨骼机器人发展趋

势................................................................................................141.3课题目前需要解

决的问题...........................................................................................................151.3.1

目前已具有的能

力................................................................................................................151.3.2技术

难点................................................................................................................................15

1.4课题的研究内

容...........................................................................................................................161.4.1

研究目

的................................................................................................................................161.4.2研究方

法................................................................................................................................161.4.3研究内

容................................................................................................................................171.5本论文的研究内容和组织结

构...................................................................................................17第二章脊髓损伤后下肢运动及康复需求....................................................................................182.1脊髓损伤后截瘫的本质...............................................................................................................

182.1.1脊髓损伤概

述........................................................................................................................182.1.2截瘫概

述.................................................................................................................................21

2.2下肢解剖

学...................................................................................................................................212.3人体行走步态原

理.......................................................................................................................252.4脊椎损伤后截瘫的康复评定标

准................................................................................................282.5本章小

结........................................................................................................................................29第三章外骨骼机器人机械结构设

计...........................................................................................303.1人体下肢自由度分布和尺寸.......................................................................................................323.2材料的选择...................................................................................................................................333.3总体结构设

计................................................................................................................................341上海交通大学硕士学位论文目录3.4踝关节及足部模

块.......................................................................................................................353.5膝关节运动模

块............................................................................................................................373.6髋关节运动模

块...........................................................................................................................383.7腰部及支撑架模

块........................................................................................................................393.8弹性驱动器模

块...........................................................................................................................393.8.1机器人的驱动形式概

述........................................................................................................393.8.2驱动机构的设计与选择........................................................................................................403.9

拐杖模

块.......................................................................................................................................

433.9.2外骨骼机器人的运动控制方

式.............................................................................................443.10关节限位设

计..............................................................................................................................453.11外骨骼机器人的加工与装

配.....................................................................................................463.12本章小

结.....................................................................................................................................47第四章下肢外骨骼机器人运动控制设

计....................................................................................484.1运动控制概

述...............................................................................................................................484.2驱动器行程的确

定........................................................................