机械手-人体下肢外骨骼康复机器人设计-说明书

机械手-人体下肢外骨骼康复机器人设计-说明书
摘要
康复机器人技术则是近年来迅速发展的一门新兴机器人技术,是机器人技术在医学领域的新应用;目前康复机器人已成为国际社会研究的热点之一。

本课题主要研究的下肢外骨骼康复机器人的设计。

本文介绍了下肢康复机器人国内外发展现状和应用情况,进行了下肢外骨骼康复机器人的总体方案设计、结构设计,和总体控制方案设计,并对重要零件进行校核。

本设计下肢外骨骼康复机器人共有5个自由度,其中每一条机械腿上有2个关节(2个自由度)模仿人体腿上的膝关节、髋关节和一个用于减重的减重系统(包括1个自由度)。

此系统能用于脑损伤、中风等病人的步态康复训练,帮助病人更好地进行康复训练,减轻他人的帮助,提高效果。

关键词:康复训练,机器人,下肢外骨骼
ABSTRACT
The rehabilitation robot technology is a new robot technology developed rapidly recently, which is a new application in medical fields of robot technology. Currently the research on rehabilitation robot has been one of the focuses in the International Society. The rehabilitation robot technology is a synthesis of many subjects, which covers mechanics, electronics, control and rehabilitative medicine and so on; it has been a typical representation of the mechatronics research. The main research
of this paper is based on the attitude control gait rehabilitation training system design.
In this paper, lower extremity rehabilitation and development of robot applications at home and abroad, lower extremity exoskeleton training robot's overall program design, structural design, design and overall control; gait training on the robot for three-dimensional modeling, and important parts to check. The robot gait training has a total of five degrees of freedom, each of which a mechanical leg joints have two 2 DOF to imitate human knee, hip and a weight relief for weight relief system including a degree of freedom. The system can be used for brain injury, stroke, and to help patients better rehabilitation training, and meets the needs of different groups of peopleKey words:rehabilitation training, robot, lower extremity exoskeletons
目录
1 绪论
1.1 概述
1.2 康复机器人的国内外研究现状
1.3 本课题主要研究内容
1.4 本章小结
2 总体方案选择与论证
2.1 步态分析
2.2 方案的选择2.2.1 自由度的选择2.2.2 基本参数的选取2.2.3 驱动器的选择2.2.4关节结构的选择2.2.5连杆结构的选择2.2.6腰部结构设计2.2.7减重机构设计2.2.8整体结构设计
2.3 本章小结
3 机械结构的设计与计算
3.1 人体参数
3.2 各关节运动分析3.2.1 膝关节的运动分析3.2.2髋关节的运动分析
3.3 关节力矩分析
3.4 具体结构设计3.
4.1 关节机构的选择3.4.2 连杆机构的选择3.4.3 腰部结构设计3.4.4减重机构3.4.5整体结构设计
3.5 部分重要零件的设计与校核3.5.1轴承的选择及校核3.5.2连杆的计算及校核3.5.3双头螺柱的校核
3.6 本章小结
4 驱动部件的计算与选型
4.1 滚珠丝杠螺母副的计算与选型 4.1.1髋关节滚珠丝杠副的计算与选型4.1.2膝关节滚珠丝杠副的计算与选型
4.2 直流伺服电机的计算与选型 4.2.1髋关节直流伺服电机的计算与选型4.2.2膝关节直流伺服电机的计算与选型
4.3 同步带的计算与选型4.3.1髋关节同步带的计算与选型4.3.2膝关节同步带的计算与选型
4.4 本章小结
5 控制系统的设计
5.1 控制系统的方案选取
5.2 控制系统的设计5.2.1电源配置设计5.2.2常用存储器及扩展电路设5.2.3数据存储器的设计5.2.4 D/A转换器接口电路设计5.2.5译码器的设计5.2.6上位机的连接设计
5.3 控制流程的设计
5.4 本章小结
6 结论
7 参考文献
8 致谢
1 绪论
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600000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250000美元,而到2010年将上升到1050000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。

1.1 概述
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下肢外骨骼康复机器人,帮助病人更好地进行康复训练,减轻他人的帮助,提高效果。

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、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。

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Free University of Berlin开展了腿部康复机器人的研究,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。

图1-3 MGT型康复机器人图1-4 LOKOMAT机器人德国柏林的IPK研究所研制的Robotic Gait Rehabilitation,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图1-5)。

图1-5 robotic gait rehabilitation 系统在试验中
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“伯克利下肢外骨骼”(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,研制出了世界上第一种商业外骨骼机器人Hybrid Assistive Leg,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”Power Assist 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。

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。

图1-7 HAL机器人
图1-8 Power Assist Suit
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。

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。

图1-9 NPH的机器人在进行试验图1-10 卧式下肢康复机器人图1-11 下肢康复训练机器人
1.3 本课题主要研究内容
本文“下肢外骨骼康复机器人的设计”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下肢外骨骼康复机器人,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,同时进行了控制系统的设计。

课题内容主要包括:
1. 下肢外骨骼康复机器人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。

3.机器人驱动器的控制系统的设计。

1.4 本章小结
本章对下肢外骨骼康复机器人在市场上的需求以及未来的发展趋势进行了调查研究,并通过国内外现状的分析与研究,确定了本设计的主要内容和走向。

2 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。

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2-5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、两处关节在一个步行周期内不同阶段的转角和力矩变化。

图2-2 膝关节的角度变化图2-3 膝关节的力矩变化图2-4 髋关节角度变化图2-5 髋关节力矩变化
由图2-2、2-3可知步行时膝关节处力矩的最大值为60N,角度范围为-70°~0°。

由图2-4、2-5可知步行时髋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,所设计的下肢外骨骼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。

2.2 方案的选择
本设计的主要工作是设计出一个下肢外骨骼的康复机器人及其相应的框架和减重机构,然后绑在人腰部和下肢上,分别带动髋关节和膝关节的运动,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。

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,它由一个钢丝绳和滑轮组成。

姿态控制机构主要模仿人体下肢关节的功能结构。

由电机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。

髋关节、膝关节是人体下肢关节中的两大重要关节。

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、侧向内转/外展、和向内外扭转。

膝关节有向前伸展/向后伸展和侧向内转/外展两种活动形式。

下肢有4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。

总体结构有两条腿和一个减重机构共5个自由度。

2.2.2 基本参数的选取
下肢外骨骼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肢外骨骼康复机器人的关节运动范围。

下肢外骨骼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。

表 2-1 各关节的运动范围(°)
关节活动形式人体行走最大值机器人关节取值人体关节活动最大值
髋关节向前伸展 32.2 45 119
髋关节向后伸展 -22.5 -30 -70
膝关节向前伸展 0 0 0
膝关节向后伸展 -73.5 -80 -136
2.2.3 驱动器的选择
下肢外骨骼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,整个康复要安全、柔顺。

本设计中的驱动器选择直流伺服电机。

因为直流伺服电机效率高,电流小,发热低,噪音低、低频振动小等优点。

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,可以充分利用电机所作的功,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和膝关节轴线不同轴,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??机混合系统将无法正常工作。

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:
1可避免出现实验对象单一化,扩大使用对象;
2.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、驱动装置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髋关节进行固定作用,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 减重机构设计
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。

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,电机和杆件之间的干涉,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,构建用直流伺服电机作驱动器的下肢外骨骼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、电机的选型计算等。

3 机械结构的设计与计算
本章设计了下肢外骨骼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。