康复机器人的系统设计.docx
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康复机器人的系统设计
康复机器人的系统设计
哈尔滨工程大学本科生毕业论文
第1章绪论1.1概述
据报道，我国60岁以上的老年人已有1.43亿，占全国人口的11％，到
2050年将达到4.37亿。
在老龄人群众中有大量的脑血管疾病或神经系统疾病
[1]患者，这类患者多数伴有偏瘫症状。
近年由于患心脑血管疾病使中老年患
者出现偏瘫的人数不断增多，而且在年龄上呈现年轻化趋势。
同时，由于交
通运输工具的迅速增长，因交通事故而造成神经心痛损伤或者肢体损伤的人
数也越来越多。
在美国数以百万计的有神经科疾病病史和受到过意外伤害的
患者需要进行康复治疗，仅以中风为例，每年大约有600，000中风幸存者，其中的二百万病人在中风后存在长期的运动障碍。
随着国民经济的发展，这
个特殊群体已得到了更多人的关注，为了提高他们的生活质量，治疗、康复
和服务于他们的产品的技术和质量也在相应地提高。
随着机器人技术和康复
医学的发展，在欧洲、美国和日本等国家，医疗康复机器人的市场占有率呈
逐年上升的趋势，仅预测日本未来机器人市场，2005年医疗、护理、康复机器人的市场份额约为250，000美元，而到2010年将上升到1，050，000美
元，其增长率在机器人的所有应用领域中占据首位。
因此，服务于四肢的康
复设备的研究和应用有着广阔的发展前景
[2]。
康复机器人是康复设备的一种类型。
康复机器人技术早已广受世界各国
科研工作者和医疗机构的普遍重视，其中以欧美和日本的成果最为显著。
在
我国康复医学工程虽然得到了普遍的重视，而康复机器人研究仍处于起步阶
段，一些简单康复器械远远不能满足市场对智能化、人机工程化的康复机器
人的需求，有待进一步的研究和发展。
由于康复训练机器人要与人体直接相连，来带动肢体进行康复训练，所
以对驱动器的安全性、柔性的要求较高。
近年来，以气动元件柔性驱动器逐
渐引起人们的重视，在医疗康复器械领域中得到越来越多的应用。
本课题的研究目的是设计一种用于脑损伤、中风等病人的步态康复训练
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系统，帮助病人更好地进行康复训练，减轻他人的帮助，挺高效果。
1.2康复机器人的国内外研究现状
在对有运动障碍的老人或残疾人进行治疗和康复的过程中，使用康复机
器人可以解决好多问题：
机器人的使用可以解决专业护理人员缺乏和医疗费
用昂贵的问题，可以避免由于训练方法不科学和专业护理人员个人疏忽等主
观原因引起的对病人的伤害，可供病人在家或工作场所使用，使病人获得更
多的独立生活能力，提高了病人的生活质量等。
康复机器人是一种自动化医
疗康复设备，它以医学理论为依据，帮助患者进行科学而有效的康复训练，
使患者的运动机能得到更快更好的恢复。
目前，康复机器人已经广泛地应用
到康复护理、假肢和康复治疗等方面，这不仅促进了康复医学的发展，也带
动了相关领域的新技术和新理论的发展。
康复机器人有两种：
辅助型康复机器人和康复训练机器人。
辅助型康复
机器人主要是帮助肢体运动有困难的患者完成各种动作，该类产品有机器人
轮椅、机器人护士、机器人假肢、机械外骨骼等。
康复训练机器人的主要功
能是帮助患者完成各种运动功能的恢复训练，该类产品有行走训练、手臂运
动训练、脊椎运动训练等。
康复机器人是康复医学和机器人技术的完美结合，康复机器人技术在欧
美等国家得到了科研工作者和医疗机构的普遍重视，许多研究机构都开展了
有关的研究工作，近年来取得了一些有价值的成果。
对于中风、偏瘫、下肢
运动机能损伤等患者来说，下肢康复训练机器人有着很好的治疗效果。
国内
外许多研究机构都在这方面取得了不错的研究结果。
下肢康复训练机器人发
展主要经历了几个阶段。
由早期的简单步行训练机发展到现在功能丰富、符
合人体运动机理的下肢康复训练机器人。
早期发展的下肢康复训练系统是借
助于跑步机、悬吊系统等帮助患者进行运动训练，此种产品结构简单、价格
便宜，但训练过程中必须有专业人员的帮助，而且并不符合人体运动机理，
还不能称为康复训练机器人，只能是一种半自动的康复训练机械，如图1.1、
2
哈尔滨工程大学本科生毕业论文图1.2所示。
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。
[3][4]图1.1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（FreeUniversityofBerlin）开展了腿部康复机器人的研
究[5]，并研制了MGT型康复机器人样机（图1.3）。
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[6]。
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图1.3MGT型康复机器人图1.4LOKOMAT机器人
德国柏林的IPK研究所研制的RoboticGaitRehabilitation，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
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1.5）。
图1.5roboticgaitrehabilitation系统在试验中
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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
[8]外骨骼‖（BLEEX），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）。
图1.6
BLEEX
日本筑波大学Cybernics实验室的科学家和工程师们，研制出了世界上第
[9]一种商业外骨骼机器人（HybridAssistiveLeg，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，毫不费力地爬楼梯。
除HAL―混合辅助腿‖外，日本还研制成功了一
[9]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‖（PowerAssist
Suit）（图1.8）可使人的力量增加0.5-1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
疾人在这种机器人的帮助下实现了登山运动。
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图1.7HAL机器人
图1.8PowerAssistSuit
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1.9为NPH的机器人在实验中。
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图1.9NPH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
在这项成果中他们采用了虚拟现实技术[10]。
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[11]。
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图1.9卧式下肢康复机器人图1.10下肢康复训练机器人
1.3本课题主要研究内容
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。
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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
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。
[12]正常人在行走时脚在一个步态周期内的运动情况如图2.1所示。
图2.1步态周期
1个步行周期分为两个时期，支撑期和摆动期。
支撑期是当脚和地面接触
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%。
足跟接地即进入支撑期，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
9
哈尔滨工程大学本科生毕业论文期占步行周期的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:
（l）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2.2～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，髋关节、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
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[13][14][15]力矩变化。
图2.2步行周期内踝关节的角度变化图2.3踝关节力矩变化
由图2.2、2.3可知步行时踝关节处力矩的最大值为-120N，角度范围为,,-20～15。
由图2.4、2.5可知步行时踝关节处力矩的最大值为60N，角度范围为,,-70～0。
由图2.6、2.7可知步行时踝关节处力矩的最大值为-80N，角度范围为,,-20～30。
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。
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图2.4膝关节的角度变化图2.5膝关节的力矩变化
图2.6髋关节角度变化图2.7髋关节力矩变化2.2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，分别带动髋关节、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。
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图2.8机器人的功能模型
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。
髋肩关节、膝关节、踝关节
13
哈尔滨工程大学本科生毕业论文是人体下肢关节中的三个主要关节。
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。
2.2.1自由度的设计
人体下肢的灵活度很高，关节比较复杂。
下肢运动关节主要包括髋关节、
膝关节、踝关节3个部分。
髋关节是球窝关节，它的活动形式有3种，分别是向前伸展/向后伸展（hipflexion/extension）、侧向内转/外展（hipduction/adduction）、和向内外扭转（hiprotation）。
膝关节有向前伸展/向后伸展（kneeflexion/extension）和侧向内转/外展（hipabduction/adduction）两种活动形式。
踝关节有背/跖屈（ankleplantarflexion/dorsiflexion）、侧向内转/外展（ankleabduction/adduction）、向内外扭转（anklerotation）3种形式的运动。
每一条腿有7个自由度，想要设计出一个能够完成下肢各个关节的康复运动
的机器人非常难。
考虑到有些关节运动消耗的能量小和结合康复医学的相关
知识，确定3个自由度：
髋关节的向前伸展、向后伸展，膝关节的向前伸展、
向后伸展，踝关节的背曲和跖曲。
总体结构有两条腿和一个减重机构共7个自由度。
2.2.2基本参数的选取
下肢康复机器人的运动学和人体的运动学相近，因此人体下肢关节的运
动范围决定了下至康复机器人的关节运动范围。
下肢康复机器人的关节运动
范围至少要和人体行走时关节范围一致。
为了安全，机器人的关节运动范围
一般要小于人体关节运动范围的最大值。
参考人体下肢各关节的运动角度，结合本设计的使用者是下肢需要康复
的患者和各关节在行走状态的最大值，具体数值见表2.1。
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2.1?
关节活动形式人体行走最机器人关节取人体关节
大值值活动最大值
髋关节向前伸展32.245119
髋关节向后伸展-22.5-30-70
膝关节向前伸展000
膝关节向后伸展-73.5-80-136
踝关节背曲14.13046
踝关节跖曲-20.6-30-43
注：
各关节的零度位置是：
人体双脚并立，垂直站立。
2.2.3驱动器的选择
康复机器人不同于工业机器人，因为它特殊的使用场合和使用对象，要
求在能够完成功能的前提下，整个康复要要安全、柔顺。
本设计中的驱动器选择直线气缸。
因为由传统的电、液驱动的马达或液
压缸驱动结构复杂，所需能源的消耗较大。
考虑到安装和运动的方便，采用
圆形气缸。
2.2.4关节结构的选择
各个关节均为旋转关节。
滚动轴承传动有摩擦阻力小，功率消耗少，启
动容易等优点，可以充分利用气缸所作的功，减小机构体积。
2.2.5连杆结构的选择
作为下肢大小腿的连杆机构既是传动装置又是执行装置。
连杆的长度精
度要求较高，若大腿连杆或小腿连杆长度与使用者大腿或小腿长度不同，将
会导致两者髋关节轴线、膝关节轴线和踝关节轴线不同轴，这会直接导致两
者在运动状态中出现运动干涉现象，两者偏差较大时，整个人一机混合系统
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哈尔滨工程大学本科生毕业论文将无法正常工作。
因此，在进行大、小腿机械连杆设计时，把连杆设计成长
度可调节的结构体尤为重要。
其优点:
?
可避免出现实验对象单一化，扩大使
用对象;?
有利于关节同轴度的调整，避免运动干涉现象。
连杆设计时，要注意以下问题:
1）承载能力。
连杆不仅是传动装置，而且也是执行装置，要考虑连杆自
身重量、气缸的重量和实验对象（人体下肢各段）的重量。
2）刚度。
为防止连杆在运动过程中产生过大的变形，从而影响到机器
人的定位精度，因此，刚度必须满足要求。
3）重量轻、转动惯量小。
为提高机器人的反应速度、降低能耗和节省材
料，要尽量减少其自身特别是运动部分重量。
本设计中连杆结构采用内外杆结构通过调节内外杆之间的固定位置调整
连杆的长度（即大小腿的长度）。
2.2.6腰部结构设计
腰部结构主要为患者腰部提供支持和下肢与框架的链接。
腰带一方面可
以对机械骸关节进行固定作用，另一方面在人行走过程中，当一支人机混合
腿抬起时，即其处于摆动期时，其机械腿的部分重量可通过钢制腰带转移到
另一支处于支撑状态的机械腿上，这样可以部分分担因一支腿抬起时，机械
腿自重对使用者产生的负重效应。
另外，由于腰带是钢质结构，其直接作用
于人体的腰部会给人带人不舒服感。
因此，我们要在钢质腰带与人体腰部之
间加填了一软制护腰带，金属带与护腰带之间通过自粘带连接在一起要考虑
到不同患者腰围的不同，所以要有调整结构，可以考虑用铰链结构。
2.2.7减重机构
下肢残疾病人的下肢力量往往不能给正常步行提供足够的力，所以在设
计康复系统时要考虑到减重机构，在康复训练时减轻身体重力作用在腿上的
力，使作用在腿上的力为身体重力大小的一部分。
考虑到各个病人腿部力量
的不同，减重比例要可以调节，要从0～100%。
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2.2.8整体结构设计
设计总体结构时，要考虑到装配工艺过程和整体效果，如：
杆件各零件
的装配顺序，气缸和杆件之间的干涉，轴承与轴承座装配，关节间的连接方
式，外部框架之间的安装，减重结构与外部框架的链接，下肢与外部框架的
连接。
具体装配方式见总体装配图。
2.3本章总结
本章在对康复机器人步态分析了解的基础上，构建用气缸作驱动器的下
肢康复机器人的结构方案。
包括自由度的选择，基本参数的选取，驱动器的
选择，关节结构的选择，连杆结构的选择，腰部结构的选择，减重结构的选
择，整个机构的装配特性、工艺特性的考虑。
在后面的章节中将具体进行具
体结构的设计、标准件的选型、非标准件的设计、气缸的选型计算等。
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第3章机械结构的设计与计算及驱动元件选型
本章设计了康复机器人机械部分的结构和驱动元件的选型，对机械下肢
的运动学部分进行分析。
3.1人体参数
本设计的机械部分是要与人体下肢接触的，它的关节、腿长等的设计要
借鉴人体下肢的一些参数，在零件的选择和校核计算过程中也要用到这些参
数，具体参数见表3.1。
3.1
足小腿大腿
质量/kg0.8852.1968.497
长度/mm249376502
质心长度/mm38224254
腿围/mm253355507
因为本设计是要带动人的下肢进行关节旋转运动的，所以机器人下肢的
旋转角度和运动灵活性也要和人行走时的下肢接近。
考虑到本设计的使用对
象是有运动功能障碍的患者，所以确定各旋转关节运动为：
髋关节向前伸展
范围为45，向后伸展为30；膝关节屈伸范围为80；踝关节向上折屈范围:
:
:
为30，向下伸展为30。
角度范围的选择是根据第2章中青年男子在行走时:
:
关节活动角度数据而定的。
3.2各关节运动学分析
本设计中的关节均为旋转关节，它由上下杆件和两块关节连接板，轴承
及轴承盖和传感器组成。
具体结构见装配图。
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哈尔滨工程大学本科生毕业论文3.2.1踝关节的运动学分析
图3.1所示为下肢踝关节的运动学模型示意图。
Ｌ是小腿杆的一部分2
的长度，是气缸端部安装孔距小腿杆中心线的距离，L是关节中心到气缸Ｌ13
活塞杆接头关节轴承中心的距离，L为气缸的长度（包括附件接头的长度），
R为关节中心O点到L的距离，θ为关节转过的角度。
图3.1踝关节运动学模型
其中L=110，L=313，L=178，单位为毫米，α=100?
，θ的范围为－123
30?
—+30?
。
气缸的长度（包括附件接头的长度）Ｌ由下面公式
,L222221,,LLLL2LLLcos,,arctan,，，,，，,,123312,,L2,,（3.1）
计算出的L范围为310——450，行程为140。
R的最小值为110。
3.2.2膝关节的运动学分析
图3.2所示为下肢膝关节的运动学模型示意图。
Ｌ是大腿杆的一部分2
的长度，Ｌ是气缸端部安装孔距关节中心水平方向上的的距离，L是关节中13
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哈尔滨工程大学本科生毕业论文心到气缸活塞杆接头关节轴承中心的距离，L为气缸的长度（包括附件接头的
长度），R为关节中心到L的距离，θ为关节转过的角度。
图3.2膝关节机构运动学模型
其中L=110，L=402，L=171，α=120?
，气缸L的长度可由公式（3.1）算出。
123
计算出的L的范围为350——500，行程为150。
R的最小值为110。
3.2.3髋关节的运动学分析
图3.3所示为下肢髋关节的运动学模型示意图。
是大腿杆的一部分Ｌ2
的长度，Ｌ是气缸端部安装孔距关节中心水平方向上的的距离，L是关节中13
心到气缸活塞杆接头关节轴承中心的距离，L为气缸的长度（包括附件接头的
长度），R为关节中心到L的距离，θ为关节转过的角度。
其中=60，L=340，L=135，α=
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