用于偏癱患者康復(fù)訓(xùn)練的原地步行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、河 北 工 業(yè) 大 學(xué)畢 業(yè) 論 文作 者： 一爽 學(xué) 號(hào)： 110476 學(xué) 院：機(jī)械工程學(xué)院系(專(zhuān)業(yè))：機(jī)械設(shè)計(jì)制造與其自動(dòng)化題 目：用于偏癱患者患肢康復(fù)訓(xùn)練的康復(fù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 指導(dǎo)者：軍強(qiáng) 副教授 評(píng)閱者： 2015 年 06 月 2 日畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中文摘要題 目 ：用于偏癱患者患肢康復(fù)訓(xùn)練的康復(fù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)摘要：癱瘓主要起因?yàn)槟X中風(fēng)后遺癥，由于機(jī)器人技術(shù)發(fā)展迅速，利用機(jī)器人來(lái)實(shí)現(xiàn)偏癱康復(fù)訓(xùn)練成為最主要的方式。對(duì)于患者來(lái)說(shuō)，若患肢康復(fù)訓(xùn)練是以其健肢的步態(tài)參數(shù)作為參考，更有助于完成康復(fù)訓(xùn)練。現(xiàn)今，大部分外骨骼式下肢步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人都要匹配相應(yīng)的步行臺(tái)進(jìn)行訓(xùn)練，而步行臺(tái)會(huì)束縛患者，

2、使他們不能依自身的想法進(jìn)行訓(xùn)練。本次設(shè)計(jì)了原地步行系統(tǒng)取代步行臺(tái)，并用磁流變阻尼器提供可控阻力。傳感器檢測(cè)患者健肢的運(yùn)功信息，為患者患肢運(yùn)動(dòng)提供參考數(shù)據(jù)。論文介紹了此機(jī)器人的研究過(guò)程，結(jié)合了仿生學(xué)與人機(jī)工程學(xué)技術(shù)，設(shè)計(jì)相似部件時(shí)相互比較，最終確定了偏癱患者患肢康復(fù)訓(xùn)練的康復(fù)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)，保證部件經(jīng)濟(jì)耐用且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。關(guān)鍵詞： 下肢步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人原地步行系統(tǒng)檢測(cè)患者健肢運(yùn)功信息四自由度27 / 30畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）外文摘要TitleThe structure design of rehabilitation robot for patients with hemiplegia limb reh

3、abilitationAbstractThe main cause of paralysis is stroke sequelae,due to the rapid development of robot technology,use robots to achieve hemiplegia rehabilitation as the most important way.For patients, if the limb rehabilitation is based on the healthy limb gait parameters, but also help complete r

4、ehabilitation training.Nowadays, most of the exoskeletal lower limb gait rehabilitation training robot must match the corresponding the station on foot, while the patients will be bound when walking on the station , so that they can not be trained in accordance with their own ideas.The design of the

5、 in-situ walking system to replace the walking station, and with MR damper to provide controllable resistance.The sensor detects the movement of the patient's limb, and provides the reference data for the patients. This paper introduces the research process of the robot, combined with bionics an

6、d ergonomic technology, when designing similar components need to comparring with each other, and the structure of the rehabilitation of patients with hemiplegia limb rehabilitation robot can be determined ultimately, while ensure economical and durable components and a simple structure.Keywods: Low

7、er limb gait rehabilitation robot,In-situ walking system,detection of patients with limb exercise information, four degrees of freedom目 錄1. 緒論··························&#

8、183;····- 4 - 1.1 偏癱患者患肢康復(fù)訓(xùn)練的康復(fù)機(jī)器人設(shè)計(jì)目的和意義········- 4- 1.2 國(guó)外康復(fù)機(jī)器人研究現(xiàn)狀···················- 4- 1.2.1 仿生外骨骼式下肢康復(fù)機(jī)器人·····

9、83;·········- 4 - 1.2.2 活動(dòng)踏板式下肢康復(fù)機(jī)器人················- 5 - 1.2.3 驅(qū)動(dòng)人體盆骨·················

10、83;····- 6 -1.3本課題主要研究容······················- 6 -2. 總體方案的選定 ··················&

11、#183;·······- 7 -2.1 初步設(shè)計(jì)構(gòu)想 ························- 7 -2.2 工作安排 ·············&

12、#183;············- 8 -3. 偏癱患者患肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ···············- 8 -3.1 健肢機(jī)構(gòu)···············

13、83;···········- 9 -3.1.1外骨骼式關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)參數(shù)檢測(cè)裝置 ··············- 9 -3.1.2平行四邊形結(jié)構(gòu)的原地步行機(jī)構(gòu)··············- 10 -3.1.3 力檢

14、測(cè)裝置·······················- 11 -3.2人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)························

15、;- 11 -3.3 康復(fù)機(jī)器人各關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)···················- 13 -3.3.1髖關(guān)節(jié) ························

16、3;- 13 -3.3.2膝關(guān)節(jié) ·························- 13 -3.3.3踝關(guān)節(jié) ···················

17、3;·····- 14 -4. 偏癱患者患肢康復(fù)訓(xùn)練的康復(fù)機(jī)器人動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)···········- 15 -4.1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的基本類(lèi)型·····················- 15 -4.2 步進(jìn)電機(jī)的選型·&#

18、183;······················- 15 -4.3 行星減速器·························

19、;·- 17 -5. 傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)···························- 18-5.1選擇傳動(dòng)方案·················

20、········- 18 -5.2聯(lián)軸器的選擇··························- 18-5.3齒輪的設(shè)計(jì)···········&#

21、183;···············- 19-5.4傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)··························-19-結(jié)論 ·····

22、;···························- 24-參考文獻(xiàn) ·····················&

23、#183;·········- 25- 致····································- 27 -1 緒論1.1 偏癱患者

24、患肢康復(fù)訓(xùn)練的康復(fù)機(jī)器人設(shè)計(jì)目的和意義癱瘓是腦中風(fēng)的常見(jiàn)后遺癥，中國(guó)已經(jīng)進(jìn)入老齡化社會(huì)，中風(fēng)的老年患者正逐步增加，輕者會(huì)行動(dòng)不便，嚴(yán)重的則完全癱瘓，癱瘓給他們的生活以與工作帶來(lái)嚴(yán)重障礙，康復(fù)問(wèn)題已經(jīng)成為社會(huì)亟待解決的一個(gè)問(wèn)題。目前，對(duì)于神經(jīng)系統(tǒng)損傷而導(dǎo)致的肢體的功能障礙的康復(fù)治療，現(xiàn)今主要仍舊是依賴(lài)于醫(yī)師的一對(duì)一的徒手訓(xùn)練，以達(dá)到集中、重復(fù)以與有目的性的康復(fù)訓(xùn)練需求，尤其在某些國(guó)家，人工的訓(xùn)練成本還是比較高的；除此之外，康復(fù)評(píng)價(jià)大多數(shù)是醫(yī)師對(duì)此進(jìn)行評(píng)價(jià)，不能達(dá)到實(shí)時(shí)跟蹤治療的良好效果。因各種不同因素而患有肢體運(yùn)動(dòng)障礙的人數(shù)不少，并且隨生活質(zhì)量的提高，人類(lèi)對(duì)康復(fù)治療的需求也隨之增多，康復(fù)型機(jī)器人

25、必定會(huì)有比較好的發(fā)展前景?？祻?fù)機(jī)器人技術(shù)在歐美等國(guó)家得到很大重視，其成果的轉(zhuǎn)化，極有可能帶動(dòng)一個(gè)新興機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。1.2 國(guó)外康復(fù)機(jī)器人研究現(xiàn)狀1.2.1仿生外骨骼式下肢康復(fù)機(jī)器人 “外骨骼機(jī)器人” （Exoskeleton Robot）指的是一種安裝在人體外面的機(jī)器人1。外骨骼具有支撐和保護(hù)的作用，它自身能夠?qū)ι锏娜彳浀牟科鞴龠M(jìn)行構(gòu)型，建筑和保護(hù)，外骨骼是非常堅(jiān)硬的。外骨骼的技術(shù)融合多種技術(shù)為一體，像是傳感、控制、信息、運(yùn)動(dòng)計(jì)算，為患者提供一種可穿戴的機(jī)械機(jī)構(gòu)的綜合技術(shù)2。瑞士HOCOMA醫(yī)療器械公司與瑞士黎士醫(yī)學(xué)康復(fù)中心合力設(shè)計(jì)推出了LOKOMAT3-5 下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人，(如圖

26、1.2.1)。LOKOMAT研制出后,且成功地推向市場(chǎng)，并在隨后的一段時(shí)間中日趨完善，這個(gè)機(jī)器人稱(chēng)得上腿部驅(qū)動(dòng)減重步行康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的典型代表。其主要部分是步態(tài)矯正的矯正驅(qū)動(dòng)裝置、智能體重的支持系統(tǒng)以與醫(yī)用跑臺(tái)。兩臺(tái)伺服電機(jī)一起驅(qū)動(dòng)LOKOMAT的一條腿，位于大腿的腿桿上和腰部的機(jī)架的滾珠絲杠由電機(jī)帶動(dòng)，能夠把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)推動(dòng)機(jī)械腿的大腿和小腿的運(yùn)動(dòng)。與此同時(shí),傳感器將信息反饋到計(jì)算機(jī)。LOKOMAT康復(fù)機(jī)器人能夠監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)患者的訓(xùn)練過(guò)程，并且LOKOMAT 全自動(dòng)式機(jī)器人有基礎(chǔ)型、專(zhuān)業(yè)型和兒童型三種配置類(lèi)型，訓(xùn)練的過(guò)程和方法，可依據(jù)患者的自身實(shí)際的情況來(lái)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整6。 圖

27、1.2.1LOKOMAT步行康復(fù) 圖1.2.2 混合助力肢體（HAL） 訓(xùn)練機(jī)器人 外骨骼機(jī)器人在開(kāi)發(fā)研制機(jī)器人這個(gè)領(lǐng)域中，日本有很好的基礎(chǔ)和特色。筑波大學(xué)的教授山海嘉之先生創(chuàng)立了Cyberdyne公司，并研制和推廣了混合助力肢體（HAL）外骨骼機(jī)器人(如圖 1.2.2)。HAL-5是一款可以穿戴在身上的機(jī)器人，也是常見(jiàn)的外骨骼式，最大的特色是重量由機(jī)器人本身的結(jié)構(gòu)所支撐，患者沒(méi)有負(fù)擔(dān)。HAL-5能夠幫助患者完成生活中的一系列的簡(jiǎn)單的動(dòng)作。HAL安裝了較多的敏感傳感器，可快速地探測(cè)到患者的皮膚表面與其微弱的信號(hào)，動(dòng)力裝置可以依據(jù)接收到的信號(hào)和反饋的原理，對(duì)肌肉進(jìn)行控制，使患者感到舒適，所以無(wú)須

28、患者進(jìn)行其他的操作。清華大學(xué)的精密儀器系的康復(fù)工程研究中心，正在進(jìn)行著步行康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人(Gait Rehabilitation Training System，GRTS)的研究工作。GRTS機(jī)器人是電機(jī)直接進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的，通過(guò)控制四個(gè)電機(jī)的協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)動(dòng)，來(lái)完成步行運(yùn)動(dòng)。該機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，控制方便，屈曲角度大等優(yōu)點(diǎn)，但此機(jī)器人的髖、膝關(guān)節(jié)處的驅(qū)動(dòng)器的軸的徑向尺寸較大7。2004年，中科院智能機(jī)器研究所研制出了“可穿戴型助力機(jī)器人”，此機(jī)器人成功地采用了類(lèi)人結(jié)構(gòu)8，通過(guò)改變各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)數(shù)值，來(lái)協(xié)調(diào)人體運(yùn)動(dòng)并為之提供助力。1.2.2活動(dòng)踏板式下肢康復(fù)機(jī)器人使用活動(dòng)踏

29、板式的下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人時(shí),患者站立在踏板上,患者的腳底的活動(dòng)踏板來(lái)帶動(dòng)腳踝進(jìn)行運(yùn)動(dòng),并使腳踝的運(yùn)動(dòng)曲線與正常的步態(tài)腳踝的運(yùn)動(dòng)軌跡一樣，從而患者在平板步行機(jī)上，進(jìn)行下肢步行的康復(fù)訓(xùn)練,患者在訓(xùn)練時(shí)，通過(guò)減重系統(tǒng)對(duì)其下肢的負(fù)重進(jìn)行減重。早在很久前，德國(guó)的柏林自由大學(xué) ( Freie Universität Berlin, FUB )早已經(jīng)開(kāi)展了有關(guān)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的研究工作，研制成果有很多，典型作品之一是在2000年研制成功的機(jī)械式康復(fù)訓(xùn)練器9-12 ( Mechanical Gait Training, MGT )。此康復(fù)訓(xùn)練

30、器最大的特點(diǎn)是，可重復(fù)進(jìn)行訓(xùn)練和矯正患者的步姿，最重要的是可以對(duì)受訓(xùn)者的重心進(jìn)行控制，減少醫(yī)生的工作。但是，由于康復(fù)機(jī)器人的機(jī)構(gòu)中并沒(méi)引進(jìn)較為先進(jìn)的伺服控制系統(tǒng)，所以，康復(fù)器只能按機(jī)械原理圖（如圖1.2.3）所設(shè)定的軌跡來(lái)動(dòng)作，不能夠模擬其他較為復(fù)雜的姿態(tài)。因此，該康復(fù)器很難滿(mǎn)足臨床康復(fù)對(duì)患者不同功能狀態(tài)的訓(xùn)練要求，很快就被淘汰了。 圖1.2.3 康復(fù)訓(xùn)練器原理圖 圖1.2.4 踝關(guān)節(jié)訓(xùn)練機(jī)器人美國(guó)的RUTGERS大學(xué)研制出了RUTGER踝部康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人樣機(jī)13，(如圖1.2.4）。臺(tái)北科技大學(xué)研制了下肢移動(dòng)式機(jī)器人14，此機(jī)器人通過(guò)利用開(kāi)發(fā)的運(yùn)動(dòng)控制設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)三種康復(fù)訓(xùn)練模式：CPM持續(xù)

31、被動(dòng)運(yùn)動(dòng)模式、CAM持續(xù)活躍的運(yùn)動(dòng)模式和HM混合運(yùn)動(dòng)模式。雖然這兩種機(jī)器人體積較小，安裝比較簡(jiǎn)單，但是不能對(duì)患者進(jìn)行嚴(yán)格的步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練。1.2.3驅(qū)動(dòng)人體盆骨為更好地幫助偏癱患者完成行走康復(fù),助行訓(xùn)練機(jī)器人骨盆位姿控制機(jī)構(gòu)大程度上被推廣出去。在加大學(xué)歐文分校，科研人員設(shè)計(jì)出了PAM骨盆輔助機(jī)械手，是用一對(duì)三自由度氣缸作為驅(qū)動(dòng)裝置，對(duì)人體骨盆進(jìn)行控制。該P(yáng)AM有五個(gè)自由度，并且，該機(jī)器人采用了BWS懸掛式重力支撐系統(tǒng)，控制盆骨兩端的位置達(dá)到預(yù)期實(shí)驗(yàn)效果的同時(shí)，便于被康復(fù)者完成最佳的訓(xùn)練效果。1.3本課題主要研究容 對(duì)于偏癱患者，以患者的健肢的步態(tài)參數(shù)作為患肢康復(fù)運(yùn)動(dòng)的參考數(shù)據(jù)是較理想的選擇，目前

32、外骨骼下肢步態(tài)機(jī)器人通常需要與步行臺(tái)配合使用來(lái)完成訓(xùn)練，步行臺(tái)會(huì)對(duì)患者的步態(tài)產(chǎn)生一定的影響，使患者難以按照自身的意向進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，所設(shè)計(jì)的原地步行系統(tǒng)可以代替步行臺(tái)，應(yīng)用磁流變阻尼器提供可控阻力，并具有重力補(bǔ)償功能，同時(shí)能夠檢測(cè)患者健肢運(yùn)功信息，作為患者運(yùn)動(dòng)的參考數(shù)據(jù)。主要技術(shù)要求：（1）髖關(guān)節(jié)最大運(yùn)動(dòng)圍：屈40°，伸30°（2）膝關(guān)節(jié)最大運(yùn)動(dòng)圍：屈70°，伸0°（3）踝關(guān)節(jié)最大運(yùn)動(dòng)圍：屈30°，伸20°（4）各關(guān)節(jié)最大運(yùn)動(dòng)速度：0.5rad/s（5）應(yīng)用步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件2 總體方案的選定2.1初步設(shè)計(jì)構(gòu)想健肢運(yùn)動(dòng)檢測(cè)裝置，髖、膝

33、、踝關(guān)節(jié)各有一個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，并在每個(gè)關(guān)節(jié)上安裝一個(gè)角位移傳感器，測(cè)量運(yùn)動(dòng)參數(shù)，并設(shè)有大腿小腿固定裝置。四連桿原地步行裝置中，伺服電機(jī)與減速器相連，減速器與磁流變阻尼器相連，為機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)提供驅(qū)動(dòng)力矩或阻尼力矩，并且腳部支撐始終與地面保持平行。為了監(jiān)測(cè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)參數(shù)機(jī)構(gòu)與原地步行機(jī)構(gòu)間相互作用力，在其間設(shè)置了力檢測(cè)裝置，（如圖2.1.1）。圖2.1.1 草圖2.2工作安排第 12 周搜集各種設(shè)計(jì)資料與論文文獻(xiàn)，分類(lèi)整理收集到的資料文獻(xiàn)，完成文獻(xiàn)的綜述，并書(shū)寫(xiě)畢業(yè)設(shè)計(jì)的前期報(bào)告。第35 周設(shè)計(jì)總體的設(shè)計(jì)方案，使用Proe繪制總體方案示意圖。第610 周具體設(shè)計(jì)，利用Proe繪制整體模型、零件模型，并且

34、完成總裝配圖的設(shè)計(jì)。第1113 周利用AuToCAD繪制二維零件圖，并且手繪部分零件圖，最終完成設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)的編寫(xiě)工作3 偏癱患者患肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)依偏癱患者進(jìn)行步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練時(shí)的需要，設(shè)計(jì)出一種既能支撐患者的體重，又不需要步行臺(tái)的下肢外骨骼式步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練裝置。該裝置能夠隨時(shí)檢測(cè)出患者健肢的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，并且生成步態(tài)模型，患肢以此模型作為運(yùn)動(dòng)的參考16。這次涉與到的偏癱患者患肢康復(fù)訓(xùn)練的機(jī)器人主要是健肢側(cè)17?；颊哌M(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練時(shí)，健肢側(cè)機(jī)構(gòu)能夠檢測(cè)患者健肢的各關(guān)節(jié)的步態(tài)參數(shù)，以此參數(shù)作為患肢運(yùn)動(dòng)的參考。健肢機(jī)構(gòu)原地步行系統(tǒng)能夠模擬地面，為運(yùn)動(dòng)提供足底反力。3.1健肢機(jī)構(gòu)健肢側(cè)機(jī)構(gòu)包括三部分：

35、外骨骼式的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)參數(shù)檢測(cè)裝置、應(yīng)用平面四桿結(jié)構(gòu)的原地步行系統(tǒng)，和力檢測(cè)裝置，（如圖3.1.1）。圖3.1.1 健肢側(cè)機(jī)構(gòu)3.1.1外骨骼式關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)參數(shù)檢測(cè)裝置健肢運(yùn)動(dòng)檢測(cè)裝置，（如圖3.1.2）具有三個(gè)自由度，在腿部的三個(gè)關(guān)節(jié)處各有一個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，并在每個(gè)關(guān)節(jié)上安裝一個(gè)傳感器，測(cè)量運(yùn)動(dòng)參數(shù)。在大腿板和小腿板的相應(yīng)合適位置設(shè)有大腿小腿固定裝置，患者站立好后，使用繃帶綁緊腿部，裝置簡(jiǎn)單，使用方便（如圖3.1.3）。圖3.1.2三自由度外骨骼式關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)參數(shù)檢測(cè)裝置圖3.1.3腿部固定裝置3.1.2平行四邊形結(jié)構(gòu)的原地步行機(jī)構(gòu)為了使患者訓(xùn)練時(shí)更加舒適，感覺(jué)更真實(shí)，偏癱患者患肢康復(fù)訓(xùn)練的康復(fù)機(jī)器人設(shè)計(jì)

36、了有平行四邊形結(jié)構(gòu)的原地步行系統(tǒng)18，（如圖3.1.4），其運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如下面（如圖3.1.5）。四連桿原地步行裝置中，步進(jìn)電機(jī)與減速器相連，減速器與磁流變阻尼器相連，為機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)提供驅(qū)動(dòng)力矩或阻尼力矩，并且腳部支撐始終與地面保持平行。在擺動(dòng)相時(shí)，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)四桿機(jī)構(gòu)隨著下肢的運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)，（草圖可見(jiàn)）。在支撐相時(shí)，（如圖3.1.6），四桿機(jī)構(gòu)為健肢提供足底反力，有效的模擬地面，實(shí)現(xiàn)原地步行訓(xùn)練。圖3.1.4原地步行機(jī)構(gòu) 圖3.1.5 原地步行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖 圖3.1.6 支撐相運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖 3.1.3 力檢測(cè)裝置力檢測(cè)裝置19可以監(jiān)測(cè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)參數(shù)機(jī)構(gòu)與原地步行機(jī)構(gòu)間相互作用力，主要部件有壓力傳感器、彈簧

37、、導(dǎo)桿、外框和踝關(guān)節(jié)軸等。健肢在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中帶動(dòng)外框動(dòng)，此時(shí)彈簧受壓，壓力傳感器產(chǎn)生信號(hào)，依據(jù)所采集到的信號(hào)進(jìn)行電機(jī)驅(qū)動(dòng)20，(如圖3.2.7）。力檢測(cè)裝置中使用了兩種直線軸承，保證了導(dǎo)桿前后移動(dòng)時(shí)不會(huì)與外框摩擦。圖3.2.7力檢測(cè)裝置3.2人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)對(duì)于偏癱訓(xùn)練康復(fù)機(jī)器人康復(fù)板，其長(zhǎng)度應(yīng)該要符合不同高度病人，要考慮到不同身高的人與他們的大、小腿長(zhǎng)度圍兼容，以便允許下肢康復(fù)機(jī)器人和患者的下肢匹配。測(cè)量男 性女 性身高15431583160416781754177518141449148415031570164016591697體重4 44 85 05 97 07 5 833 94 24 45

38、 26 36 67 1大腿413428436465496505523387402410438467476494小腿324338344369396403419300313319344370375390表1 人體下肢主要尺寸 根據(jù)表1的數(shù)據(jù)，可以得出中國(guó)成年人的下肢尺寸為：大腿板的尺寸為390-520mm，小腿板的尺寸是340-420mm，為了方便不同身高的患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，大腿板的長(zhǎng)度設(shè)計(jì)成可以調(diào)節(jié)的，（如圖3.3.1），長(zhǎng)度的調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單方便。小腿板設(shè)計(jì)也是如此，此處重復(fù)省略介紹。圖3.3.1大腿調(diào)節(jié)板 設(shè)計(jì)腿板時(shí)要注意：一是承受載荷能力，腿部連桿載荷承受能力不僅要考慮其自身的重量，患者的下肢運(yùn)動(dòng)

39、的重量，還要考慮工作中的機(jī)器人系統(tǒng)；二是轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較小、質(zhì)量較輕，提高系統(tǒng)的反應(yīng)速度、減少能耗；三是模塊化的設(shè)計(jì)便于安裝和加工。3.3 康復(fù)機(jī)器人各關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.3.1髖關(guān)節(jié)偏癱患者患肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的健肢機(jī)構(gòu)，腿是主動(dòng)地，靠患者自身運(yùn)動(dòng)，髖關(guān)節(jié)的連接件升級(jí)成類(lèi)似于一個(gè)軸承座的構(gòu)件4，（如圖3.4.1），連接件放置軸承，并固定在大錐齒輪軸上，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)連接件自行轉(zhuǎn)動(dòng)不受其他部件的影響。下圖中，1為髖關(guān)節(jié)傳感器固定件，因?yàn)閭鞲衅鞴潭ú糠中枰潭ㄔ诓晦D(zhuǎn)的地方，所以用螺釘把1固定在5上。2就是傳感器。3是聯(lián)軸器，連接了傳感器軸與髖關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)軸，便于測(cè)量運(yùn)動(dòng)參數(shù)。髖關(guān)節(jié)與大腿板的連接件，（如圖3.4.2）使

40、用螺釘把軸承端蓋固定在連接件上，其螺紋孔的軸線與螺紋孔2對(duì)齊。連接了大腿板與連接件的螺釘?shù)妮S線與螺紋孔1對(duì)齊。 圖3.4.1髖關(guān)節(jié) 圖3.4.2髖關(guān)節(jié)連接件3.3.2膝關(guān)節(jié)膝關(guān)節(jié)的連接需要連接大腿調(diào)節(jié)板和小腿連接板，并且要保證膝關(guān)節(jié)的自由度的實(shí)現(xiàn)，（如圖3.3.2）。大腿調(diào)節(jié)板是用螺栓1與膝關(guān)節(jié)連接板固定在一起，小腿調(diào)節(jié)板與膝關(guān)節(jié)連接板的固定也是一樣，使用螺栓2進(jìn)行固定。連接件3部都裝有軸承，保證關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)候不互相摩擦。連接件4是采用鍵槽與膝關(guān)節(jié)周相連。6是聯(lián)軸器，連接了膝關(guān)節(jié)軸（如圖3.3.3）與傳感器軸，固定在連接件5上，并且5固定在3上，與大腿板同步轉(zhuǎn)動(dòng)。圖3.3.2 膝關(guān)節(jié)的連接件圖3

41、.3.3 膝關(guān)節(jié)軸3.3.3踝關(guān)節(jié)踝關(guān)節(jié)的連接方式與膝關(guān)節(jié)類(lèi)似，（如圖3.3.3），1是與小腿調(diào)節(jié)板相連的，并用螺釘緊固，2與腳部支撐相連。3與力檢測(cè)裝置的外框4相連，保證了踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)時(shí)，力檢測(cè)裝置能夠與其一起動(dòng)，與此同時(shí)壓力傳感器檢測(cè)數(shù)據(jù)。5為聯(lián)軸器，連接傳感器6與踝關(guān)節(jié)軸，（如圖如圖3.3.4），能準(zhǔn)確測(cè)量踝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。圖3.3.3 踝關(guān)節(jié)圖3.3.4 踝關(guān)節(jié)軸4. 偏癱患者患肢康復(fù)訓(xùn)練的康復(fù)機(jī)器人動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)和氣壓驅(qū)動(dòng)是機(jī)器人系統(tǒng)經(jīng)常使用的三種驅(qū)動(dòng)方式。電機(jī)驅(qū)動(dòng)可以把電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能?，F(xiàn)在絕大多數(shù)機(jī)器人都是采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)的。電機(jī)驅(qū)動(dòng)有很多優(yōu)點(diǎn)，信號(hào)傳遞快、控制方法成熟

42、、能量傳遞方便、標(biāo)準(zhǔn)化程度高、可控性強(qiáng)等。所以，本次的設(shè)計(jì)使用步進(jìn)電機(jī)21。4.1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的基本類(lèi)型22分為三種：機(jī)電式、磁電式和直線式。（1） 機(jī)電式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)機(jī)電式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是由鐵心、線圈、齒輪機(jī)構(gòu)等部分組成。通電時(shí)，螺線管的線圈產(chǎn)生磁力，使鐵心的心子運(yùn)動(dòng)，通過(guò)齒輪的機(jī)構(gòu)使輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度，抗旋轉(zhuǎn)齒輪會(huì)使輸出轉(zhuǎn)軸重新停止在新的位置。（2）磁電式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)磁電式的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)不僅結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，而且可靠性高，價(jià)格低廉， 應(yīng)用圍很廣。主要有永磁式、磁阻式和混合式。永磁式步進(jìn)電機(jī)特點(diǎn)是功耗小，效率高，但起動(dòng)和運(yùn)行的頻率較低。磁阻式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)形式有很多，特點(diǎn)是步距角可以做得很小，精度能達(dá)到

43、很高的水平，起動(dòng)與運(yùn)行頻率也較高，但功耗大，效率低?；旌鲜降牟竭M(jìn)電動(dòng)機(jī)綜合有以上兩種電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，電動(dòng)機(jī)精度高，步距角小，工作頻率高，且功耗小，效率高。（3 直線式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有索耶式和反應(yīng)式兩類(lèi)。索耶式由反應(yīng)板（靜止部分）和動(dòng)子(移動(dòng)部分)兩部分組成。4.2步進(jìn)電機(jī)的選型：（1）為了保證整體的重量相對(duì)較輕，康復(fù)機(jī)器人將使用鋁作為其生產(chǎn)的主要材料，鋁的密度是2.7×10* 3千克/立方米。（2）步過(guò)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的選擇步進(jìn)電機(jī)的保持轉(zhuǎn)矩23，相當(dāng)于傳統(tǒng)電機(jī)的“功率”。根據(jù)計(jì)算出的轉(zhuǎn)矩大?。匆獛?dòng)物體的扭力大?。?，來(lái)選擇使用具體型號(hào)的電機(jī)。扭力比較小時(shí)，可選擇20、28、35、39、42(電機(jī)

44、的機(jī)身直徑或方度，單位：mm)；扭力大小為1N.m左右時(shí)，選擇57的較合適。扭力更大時(shí)，要選擇86、110、130等型號(hào)的電機(jī)。   Tf 力矩負(fù)載：Tf = G·rG 重物重量 r 半徑 （如圖4.2.1） TJ 慣性負(fù)載：J = M（R12+R22）/ 32 （Kg·cm）M：質(zhì)量R1:外徑R2：徑 TJ = J·dw/dt dw/dt 為角加速度 （如圖4.2.2） 圖 4.2.1 圖 4.2.2力矩曲線圖能夠表現(xiàn)電機(jī)的輸出特性，（如圖4.2.3）。圖4.2.3 力矩曲線圖（3）步過(guò)電機(jī)轉(zhuǎn)速的選擇 轉(zhuǎn)速與電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩

45、成反比，所以也需要考慮。（4）步進(jìn)電機(jī)空載起動(dòng)頻率的選擇 步進(jìn)電機(jī)空載起動(dòng)頻率，通常稱(chēng)為“空起頻率”。（5） 步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)選擇24 相數(shù)不同的電機(jī)，其工作效果是不一樣的。相數(shù)越多，步距角越小，電機(jī)工作時(shí)的振動(dòng)就相對(duì)小，同時(shí)，電機(jī)工作頻率應(yīng)該避開(kāi)振動(dòng)區(qū)，不在此圍中。為選擇合適的尺寸驅(qū)動(dòng)馬達(dá)，可估計(jì)機(jī)器人每個(gè)關(guān)節(jié)的扭矩和功率。偏癱康復(fù)機(jī)器人用鋁作為材料進(jìn)行制作，現(xiàn)對(duì)健肢側(cè)機(jī)構(gòu)，包括參數(shù)監(jiān)測(cè)裝置、平行四邊形原地步行系統(tǒng)和力檢測(cè)裝置進(jìn)行質(zhì)量估算，大約10KG，負(fù)載轉(zhuǎn)矩粗略計(jì)算為35 N*m。傳動(dòng)元件選用錐齒輪，初步確定錐齒輪傳動(dòng)比為3，減速器的傳動(dòng)比為16，最大靜轉(zhuǎn)矩約

46、為6.6 N*m，初步選用的電機(jī)型號(hào)為1103HB125-433，（如圖4.2.4）。步進(jìn)電機(jī)的額定電流是4.3A，保持轉(zhuǎn)矩為8 N*m，重量為5KG，具體參數(shù)見(jiàn)圖（如圖4.2.5）。圖4.2.4 1103HB125-433 步進(jìn)電機(jī)圖4.2.5 步進(jìn)電機(jī)的技術(shù)參數(shù)4.3行星減速器下圖為與1103HB125-433步進(jìn)電機(jī)相配的行星減速箱，電機(jī)的保持轉(zhuǎn)矩為8 N*m，故選擇速比為6的減速器，即為110HJ-6，(如圖4.3.1)。圖4.3.1 110HJ系列普通行星減速箱技術(shù)參數(shù)5. 傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)5.1選擇傳動(dòng)方案工程設(shè)計(jì)中，機(jī)械傳動(dòng)的方案的形式有很多種。大致可以分為兩種：一是摩擦傳動(dòng)，像是繩

47、傳動(dòng)，帶傳動(dòng)，以與摩擦輪的傳動(dòng)。這種傳動(dòng)形式能用于大多數(shù)軸間的距離比較大的傳動(dòng)場(chǎng)合，優(yōu)點(diǎn)很多，像是能保護(hù)傳動(dòng)系統(tǒng)，有過(guò)載保護(hù)，還能起到緩沖的作用，缺點(diǎn)是不能確保傳動(dòng)比的準(zhǔn)確性，也不能由于功率大的地方；二是主動(dòng)與從動(dòng)件的嚙合傳動(dòng)，例如鏈傳動(dòng)，齒輪傳動(dòng)，和螺旋傳動(dòng)等。與摩擦傳動(dòng)不同，嚙合傳動(dòng)能確保傳動(dòng)比的準(zhǔn)確性，并且可用在功率較大的地方。結(jié)合本次設(shè)計(jì)的偏癱康復(fù)機(jī)器人的性能，為了更好地實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的功能，傳動(dòng)方案選用了齒輪傳動(dòng) 常用的傳動(dòng)方案有齒輪傳動(dòng)、帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)等等。為了減小體積，我們選用了齒輪傳動(dòng)的方案，同時(shí)齒輪傳動(dòng)也較為平穩(wěn)。5.2聯(lián)軸器的選擇聯(lián)軸器的種類(lèi)很多，包括了固定式剛性，可移動(dòng)式剛性

48、，金屬?gòu)椥栽耘c非金屬?gòu)椥栽?lián)軸器。根據(jù)實(shí)際要求和功能的實(shí)現(xiàn)，我們選擇了固定式剛性聯(lián)軸器。固定式剛性也分為很多種，像是套筒聯(lián)軸器，凸緣聯(lián)軸器，夾殼聯(lián)軸器和緊箍夾殼聯(lián)軸器。凸緣聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造相對(duì)容易，工作可靠，剛性好，拆裝方便。所以，我們選擇凸緣聯(lián)軸器，（如圖5.2.1）。根據(jù)所需聯(lián)軸器所傳遞的轉(zhuǎn)矩不同來(lái)選擇不同的聯(lián)軸器，選擇的型號(hào)是 GB/T 58432003 。圖5.2.1 聯(lián)軸器5.3齒輪的設(shè)計(jì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中，使用最廣泛的是齒輪傳動(dòng)。齒輪傳動(dòng)優(yōu)點(diǎn)很多，具有高效率，傳動(dòng)較準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，齒輪傳動(dòng)的使用壽命較長(zhǎng)，且工作時(shí)較可靠，結(jié)構(gòu)緊湊。所以，本次設(shè)計(jì)選擇齒輪傳動(dòng)。根據(jù)設(shè)計(jì)的整體容，需要選

49、擇錐齒輪，（如圖5.3.1）。圖5.3.1 錐齒輪傳動(dòng)5.4傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)軸25是放置在齒輪中，軸承中，或者車(chē)輪中的圓柱形構(gòu)件，但是也存在少部分方形的軸。也就是說(shuō)，所有的需要做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械零件，都需要按裝在軸上，才能夠完成功率，彎矩，轉(zhuǎn)矩，運(yùn)動(dòng)的傳遞。軸大多數(shù)是金屬的圓桿狀，各部分的所需軸的直徑可以有所不同。按軸線的形狀分類(lèi)，軸可以分為曲軸和直軸，使用曲軸的地方不是很多，大多數(shù)使用的是直軸。按軸所承受的載荷種類(lèi)不一樣，軸可以分成三類(lèi)：一是心軸，它不能傳遞扭矩，只能承受彎矩；二是傳動(dòng)軸，這種類(lèi)型的軸只能傳遞機(jī)械扭矩，但是不能承受彎矩；三是轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)軸綜合了上面兩種的優(yōu)點(diǎn)，既可以承受彎矩，又可以傳遞

50、扭矩。我們現(xiàn)在要計(jì)算的是小錐齒輪軸，就是上面所說(shuō)的傳動(dòng)軸。 設(shè)計(jì)軸的結(jié)構(gòu)主要是確定軸的所有結(jié)構(gòu)尺寸與其外形，這兩個(gè)方面是設(shè)計(jì)軸的重要之處。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)該遵循一定的原則：一是節(jié)約使用材料，減少軸的重量，最好使用截面系數(shù)相對(duì)較大的截面形狀的軸；二是設(shè)計(jì)出的軸，要使按裝在上面的零、部件更容易拆裝，修理，軸上的零件有精確的安裝位置；三是其結(jié)構(gòu)應(yīng)該能提高其強(qiáng)度，減小出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象；四是所設(shè)計(jì)的軸應(yīng)該易于制造加工，并且能保證其精度。此外，軸的強(qiáng)度是衡量其工作能力的主要因素。常用的軸的使用材料材料，包括合金鋼，碳素鋼。優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼應(yīng)用較多，具有很高的綜合力學(xué)性能，45鋼使用最為廣泛。為了改善碳素鋼力學(xué)性

51、能，要進(jìn)行正火或調(diào)質(zhì)處理。合金鋼具有較高的力學(xué)性能，經(jīng)滲碳淬火后可提高軸頸耐磨性。綜合考慮選用45號(hào)鋼。圖5.4.1 小齒輪裝配小齒輪軸的裝配方案，（如圖5.4.1），1是聯(lián)軸器，2是軸承支座，部有一對(duì)深溝球軸承，3為小齒輪簡(jiǎn)圖，4就是我們需要設(shè)計(jì)的小齒輪軸，（如圖5.4.2），5是兩個(gè)固定軸承外圈的端蓋，使軸承得以定位。小齒輪軸中，1鍵槽與聯(lián)軸器配合，3鍵槽與齒輪配合，2為軸間，深溝球定位在此軸間上，保證了軸向定位。圖5.4.2 小齒輪軸小齒輪軸只承受扭矩，所以應(yīng)該設(shè)計(jì)、校核其扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度。計(jì)算小齒輪軸傳遞的功率和轉(zhuǎn)矩。從圖3.2.1中可以看到，從步進(jìn)電機(jī)行星減速箱出來(lái)，分別連接了聯(lián)軸器，滑環(huán)，

52、磁流變阻尼器，聯(lián)軸器，最后連接到了該齒輪軸，所以，小齒輪軸的轉(zhuǎn)矩即為步進(jìn)電機(jī)行星減速箱的輸出轉(zhuǎn)矩與中間所連零件的傳遞效率的乘積。其中，聯(lián)軸器的效率為0.99，軸承效率為0.99，其他動(dòng)作部分的效率為0.9.在選擇步進(jìn)電機(jī)和減速箱時(shí)，我們已經(jīng)確定了電機(jī)型號(hào)為1103HB125-433，其額定電流是4.3 A，保持轉(zhuǎn)矩為8 N*m ，重量為5KG ，工作時(shí)電壓為36V，發(fā)送功率是 154.8 W ，選擇的減速箱型號(hào)是 110HJ-6，這種減速箱的最大輸出轉(zhuǎn)矩為180 N*M 。根據(jù)軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件計(jì)算如下：軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件13為式中： - 扭轉(zhuǎn)的切應(yīng)力 T - 軸所受扭矩，N*mm WT - 軸抗

53、扭截面系數(shù)，mm3 n - 軸轉(zhuǎn)速，r/min P - 軸的傳遞功率，Kw d - 計(jì)算截面處的軸直徑，mm - 許用的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，MPa由上式得到軸的直徑為： 其中A0=該齒輪軸的選用45鋼，其=25-45MPa,A0=126-103,所以將數(shù)據(jù)帶入公式算出：dt=23.078mm，選用軸的直徑為30mm，這樣設(shè)計(jì)的齒輪軸滿(mǎn)足軸的強(qiáng)度條件。圖5.4.3 大齒輪裝配圖大齒輪的裝配方案，（如圖5.4.3），1是髖關(guān)節(jié)的連接件同時(shí)也擔(dān)任了軸承座的職責(zé)。2是小套筒，1是的軸承，其圈是以此套筒來(lái)定位的，外圈是以靠軸承端蓋得以定位。3是平行四邊形機(jī)構(gòu)的加強(qiáng)版結(jié)構(gòu)，提高了機(jī)構(gòu)的剛度。4是軸承座，部有一對(duì)深

54、溝球軸承，軸承的圈是靠軸間定位，外圈是靠軸承端蓋定位。5為大錐齒輪的簡(jiǎn)化圖。6是套筒，有利于大齒輪的定位，并且右側(cè)的深溝球的圈的定位是依靠套筒6，其外圈的定位依靠軸承端蓋。7和4是相對(duì)應(yīng)的軸承座。8是平行四邊形機(jī)構(gòu)的一部分。圖5.4.4 大齒輪軸大齒輪軸，（如圖5.4.4），校核大齒輪軸的方法和小齒輪類(lèi)似，通過(guò)計(jì)算可以得出，大齒輪軸上安裝齒輪的軸的最小軸徑可以取值為40mm。最后，還有一點(diǎn)需要我們注意的是，當(dāng)軸14有一個(gè)鍵槽時(shí)，并且軸的直徑d<=100mm的時(shí)候，軸徑應(yīng)增大5%7%；當(dāng)軸上分布著兩個(gè)鍵槽時(shí)，應(yīng)增大10%15%。然后將軸徑圓整為標(biāo)準(zhǔn)直徑。結(jié) 論依照本課題的容，我查找了關(guān)于機(jī)

55、器人的多方面的資料，了解到此類(lèi)型的機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀和技術(shù)水平。在吸收了多種知識(shí)后，我設(shè)計(jì)完成了偏癱康復(fù)機(jī)器人的各個(gè)部分的零件和部分的部結(jié)構(gòu)和外形尺寸，并且使用Pro-e完成了機(jī)器人三維基本模型制作，繪制總裝配圖和零件圖，最終設(shè)計(jì)出具有平行四邊形系統(tǒng)的偏癱康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人。此機(jī)器人最具特色的就是取代了步行臺(tái)，訓(xùn)練時(shí)更人性化。最后，使用autocad繪制了二維裝配圖，結(jié)束了本此課題的設(shè)計(jì)。參 考 文 獻(xiàn)1 王惠源,鑫,鵬軍,會(huì)營(yíng),傳才. 外骨骼機(jī)器人發(fā)展趨勢(shì)研究J. 機(jī)械工程師. 2011(08) 2 柯顯信,唐文彬,玉亮. 人體下肢外骨骼機(jī)器人的發(fā)展與關(guān)鍵技術(shù)分析J. 機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用. 2009(06) 3 Hocoma. Lokomat®- Enhanced Functional Locomotion Therapy with Augmented Performance Feedback4 Dietz V, Mueller R, Colombo G. Locomotor activity in spinal man:Significan