穿戴式机械腿机构设计

中文摘要
本论文研究穿戴式机械腿机构。

穿戴式机械腿是一种典型的人机一体化系统，该机构是一种穿戴于人体腿部帮助有下肢乏力的患者进行康复治疗的机械结构。

本文在人-机相容性方面做了详细的分析，使本机构在较好的穿戴位形下依靠人体的运动信息控制穿戴式机器人，在运动过程中提高人机步态的一致性，达到更好的康复治疗的目的。

论文分析了国内外研究现状，了解了国内外相关研究的背景情况、研究进展和未来的发展问题，总结了下肢康复机器人研究中还存在的问题，进而确定了本文的主要研究内容及所需解决的关键问题。

本文确定了下肢康复机器人机构的自由度，对机构进行了关节布位，通过自由度的分析对人-机联接模式和约束性质进行了研究，从而确定了骨骼-机构联体模型。

在人体骨骼模型的基础上，提出了一种机构构型方案。

对人-机相容性进行了定义，分析了人-机相容性的影响因素。

在此基础上分别对人体下肢骨骼模型和这种机构构型进行了三维模型设计。

关键词:康复机器人,人-机相容性,机构设计
This study discusses lower extremity rehabilitative robot. The lower extremity rehabilitative robot is a typical man-machine integrated system; it is worn on the body of a limb to help patients with physical disabilities rehabilitation of mechanical devices. In this paper, man-machine compatibility has done more analysis and with well wearing this equipment to rely on the human body configuration under the control of lower extremity rehabilitative robot motion information. It improves the consistency rehabilitation of human gait in the course of the campaign to achieve better purposes.
This paper analyzes the research situation and has a research about the background of relevant research at home and abroad, progress of research and future development. Lower extremity rehabilitation robot research summarized the problems still exist, and then this article determines the main contents, and the key issues need to be resolved. This paper has identified the DOF of lower extremity rehabilitative robot and the joint distribution of digital agencies. Through the analysis
in freedom this article do the research on the human-machine connection mode and the nature binding. Two programs of mechanism are proposed based on the bone一body conjoined model. The study defines the compatibility of human-machine and analyzes the compatibility factors of human-machine. On this basis, the human skeleton model and the configuration of the two agencies are conducted by the three-dimensional model design respectively.
Keywords: rehabilitative robotics, man-machine compatibility, mechanism design
中文摘要 (I)
Abstract (II)
第一章绪论 (1)
1.1研究背景 (1)
1.2下肢康复机器人概况 (2)
1.2.1康复机器人研究历史 (2)
1.2.2下肢康复机器人分类 (3)
1.3下肢康复机器人的研究现状 (5)
1.3.1国外研究现状 (5)
1.3.2国内研究现状.................................................................................;.. (9)
1.4下肢康复机器人研究存在的问题 (11)
1.5课题意义及主要研究内容 (11)
第二章穿戴式机械腿机构运动分析 (13)
2.1 引言 (13)
2.2人体下肢生物骨骼模型 (13)
2.3骨骼的运动与下肢关节 (13)
第三章穿戴式机械腿机构设计 (19)
3.1穿戴式机械腿设计 (19)
3.1.1三维模型设计 (19)
3.1.2膝关节、踝关节及脚部设计 (21)
3.1.3下肢连接器 (26)
3.1.4大小腿弹簧助力器及保护 (26)
3.1.5下肢骸部设计 (28)
3.1.6 腿部固定 (30)
第四章强度校核 (31)
4.1关节旋转连接器受力分析 (31)
设计总结 (34)
参考文献 (36)
致谢 (38)
第一章绪论
1.1研究背景
我国已经进入老龄化社会，老龄化问题逐渐得到关注。

《2009年度中国老龄事业发展统计公报》称，2009年我国60岁及以上老年人口己达到1.6714亿，占总人口的12.5%;到2015年我国60岁及以上老年人口将达到2.16亿，约占总人口的16.7%。

在老龄人群中有大量的脑血管疾病或者神经系统疾病患者，其中以脑卒中患者居多，而这类患者多数会留下偏瘫等症状。

另外，近十年来我国各类交通运输工具的保有量迅速增长，因交通事故造成身体损伤的人数每年超过30万人。

据统计，我国目前有8296万残疾人，有康复需求的接近5000万，每年因车祸、疾病等原因新增的残疾人数量达100多万。

医学理论和临床医学证明，这类患者除了早期的手术治疗和必要的药物治疗外，正确的、科学的康复训练对于肢体运动功能的恢复和提高起到非常重要的作用。

由于脑的可塑性，医学上通常是通过重复的、特定任务的训练让患者进行足够的重复性活动，从而使重组中的大脑皮质通过深刻的体验来学习和储存正确的运动模式。

减重活动平板步行训练的治疗方法就是基于上述原理对患者进行训练并且取得了良好的临床效果，成为下肢康复医疗采用的主要方法。

训练采用悬吊式减重器和活动平板(医用跑步机)配合工作来协助患者完成步行动作。

其悬吊装置可以不同程度地减少患者上身体重对下肢的负荷，患者在康复治疗师的帮助下借助于运动平板进行康复训练。

训练过程中一般需要两名治疗师相互协调，一名治疗师在患者侧面帮助并促进患者侧下肢摆动，确定脚跟先着地，防止出现膝关节过伸，保证两腿站立时间与步长对称;另一名治疗师站在患者身后，促进重心转移至负重腿上，保证骸屈伸、骨盆旋转和躯干直立。

减重步行训练可以获得较为理想的肢体功能恢复效果，但是这种治疗师对患者“手把手”式的训练方式存在一些问题。

首先，一名患者需要两名治疗师进行运动训练，效率低下，并且由于治疗师自身的原因，可能无法保证患者得到足够的训练强度，而且治疗效果会受到治疗师自身经验和水平的影响。

其次，不能精确控制和记录训练参数(运动速度、轨迹、强度等)，不利于治疗方案的确定和改进;不能记录描述康复进程的各种数据，康复评价指标不够客
观;无法建立训练参数和康复指标之间的对应关系，不利于对患者神经康复规律进行深入研究。

再有，不能向患者提供实时直观的反馈信息，训练过程缺乏吸引力，患者多为被动接受治疗，参与治疗的主动性不够。

可以看出，单纯依靠治疗师进行康复训练，无疑会制约康复训练效率的提高和方法的改进。

因此，开拓更加广泛的康复训练手段和进一步提高康复效率是解决患者运动功能障碍的当务之急。

而突破这个问题的关键在于科学技术的创新，下肢康复机器人技术的发展和运用解决了这个问题。

首先，机器人不存在“疲倦”的问题，能够满足不同患者对训练强度的要求;其次，机器人可以将治疗师从繁重的训练任务中解放出来，而专注于制定治疗方案、分析训练数据、优化训练内容并改进机器人的功能;再次，机器人可以客观记录训练过程中患者患肢的位置、方向、速度以及肌力恢复状态等客观数据，供治疗师分析，以评价治疗效果;更进一步，机器人所记录下的详细数据，使得治疗师有可能从中发现数据与治疗结果之间的对应关系，从而有可能深入了解中枢神经康复的规律;还有，使用机器人技术可以通过多媒体技术为患者提供丰富多彩的训练内容，使患者能够积极参与治疗，树立康复信心，并及时得到治疗效果的反馈信息;最后，机器人治疗技术使得远程治疗和集中治疗(一名治疗师同时为几名患者提供指导)成为可能，通过将成熟的产品推广应用，最终使所有的患者受益。

1.2下肢康复机器人概况
康复机器人是康复医学和机器人技术的完美结合，人们不再把机器人当作辅助患者的工具，而是把机器人和计算机当作提高临床康复效率的新型治疗工具。

下肢康复机器人是目前康复机器人研究领域的一个主要研究对象。

它主要用于辅助患有脑血管疾病或神经系统疾病的患者进行下肢的康复训练，帮助他们重获步行能力。

它可以在专业的医疗机构甚至在家中使用，使患者获得更强的独立生活能力，并能相当大的提高他们的生活质量。

在过去的几年中，下肢康复机器人在世界各国己经有了很大的发展并取得了相当多的成果，一些企业在其技术开发及投资方面有了很大的投入，下肢康复机器人技术正在向产业化和普及化发展。

1.2.1康复机器人研究历史
第一次尝试把为残疾人服务的机器人系统产品化是在20世纪的60年代到
70年代，实践证明这些尝试都失败了。

失效原因主要有2个方面:其一是设计
的不理想，尤其是人机接口;另一个不是技术的原因，而是因为单价太高导致了康复机器人产品化的失败。

20世纪80年代是康复机器人研究的起步阶段，美国、荷兰和瑞士在康复机器人方面的研究处于世界领先地位。

90年代以来，全世界己有超过20所大学的实验室及康复医疗机构相继开展了基于机电结合机器人技术的下肢康复训练系统的研制和实验研究工作。

首先在机械手方面取得了一定的成就。

1993年，Lum P. S.等研制了一种称作“手-物体-手”的系统(hand-object-hand system），如图1-1左图，用来对一只手功能受损的患者进行康复训练。

这种双手物理治疗辅助机器包括两个置于桌面上可绕转轴转动的夹板状手柄，其中一个手柄下端连接在驱动电机上，电机可以辅助患者完成动作。

1995年，Lum P. S.等又研制了一种双手上举的康复器(bimanual lifting rehabilitator），如图1-1右图，用来训练患者用双手将物体举起这一动作。

该设备为两自由度连杆结构，当患者双手握住手柄将其举起时，设备既可测量被举物体的垂直位置及倾斜角度参数，也可以在左手(患侧手)无法产生足够大的力时予以辅助，机器所施加的力可以按患者的需要改变，从而保持上举动作的平衡。

图1-1 手-物体-手训练系统
目前康复机器人技术有了较大的发展，从技术上能够较好地满足各种残障人士和老年人的需要，但是在实用能力上还需要进一步完善和提高。

1.2.2下肢康复机器人分类
（1)牵引型下肢康复训练机器人系统主要由减重装置和数个牵引机器人组成，机器人操作端分别与患肢的膝、踩部柔性连接。

康复训练的过程是患者经吊带减重后，由机器人牵引患肢的连接部位按预期的操作端轨迹进行康复训练运动。

典型的牵引型下肢康复机器人系统有美国Health-S outh公司研制的Auto-Ambulato:系统和美国加州大学洛杉矶分校研制的ARMS系统等，其中Auto-Ambulator系统的牵引机器人数目为2个，ARMS系统的牵引机器人数目为4个。

牵引型下肢康复机器人系统可根据康复训练需要对系统进行重组，并具有牵引运动形式多样、对患肢的适应性较强等优点，但其机械及控制系统的组成相对复杂，国内未见有相关研究的报导。

（2)运动踏板型下肢康复训练系统主要由减重装置和一对运动踏板组成，康复训练的过程是患者经吊带减重后，双足与运动踏板保持接触，运动踏板根据
预先规划的轨迹运动，在患者自重(体重与减重量差值)与运动踏板推力共同作用下进行患肢的康复训练运动。

典型的运动踏板型康复训练系统有德国Fraunhofer研究所与柏林自由大学研制的Haptic-Walker系统、Mechanized Gait Trainer系统和口本Tsukuba大学研制的Gait-Maste:系统等。

其中，Haptic-Walker和Gait-Master为多自由度运动踏板训练系统，Mechanized Gait Traine:为单自由度(每个踏板)运动踏板训练系统。

国内从事运动踏板型康复训练系统研究的机构主要有清华大学和哈尔滨工程大学，并研制出具有单、多自由度的卧式及立式运动踏板训练系统。

多自由度运动踏板训练系统对患肢不同的训练需求具有较强的适用性，可以模拟正常的下肢运动步态和脚踩运动位姿，还能够根据训练需要灵活调整、设计踏板的运动规律。

(3)穿戴型下肢康复训练机器人系统由减重装置、运动平板以及与支撑装
置相连的穿戴型下肢康复机器人(外骨骼)组成。

康复训练的过程是患者穿戴下肢康复机器人并经吊带减重后，机器人根据预先规划的运动规律和控制策略，导引患者下肢协同运动进行康复训练。

同时患者的双足依次与运动平板相接触，在运动平板的带动下进行踩关节的康复训练。

穿戴型下肢康复机器人系统既能进行下肢的被动康复训练，也可以对下肢进行主动康复训练。

对于手术恢复期后以及因偏瘫导致运动功能损伤严重的患者，可先经吊带减重后由下肢康复机器人导引患肢进行被动康复训练，逐步恢复患肢关节的运动功能和肌肉组织的伸展功能。

当患肢的运动功能恢复到一定程度后，根据功能恢复状况可适当降低下肢康复机器人的驱动功率，由患肢与机器人驱动器共同承担机器人机构的负载并协同运动，实现患肢的主动康复运动训练。

1.3下肢康复机器人的研究现状
康复机器人技术在欧美等发达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。

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。

1.3.1国外研究现状
瑞士HOCOMA医疗器械公司与瑞士苏黎士Balgrist医学院康复中心合作推出的LOKOMAT步行康复训练机器人是当今产业化程度最高的一种面向下肢瘫痪患者的医疗康复器械。

LOKOMAT于1999年研制成功，2001年在汉诺威世界工业展览会上展出，并在随后的几年中口臻完善并且己经开始进入实际应用阶段。

LOKOMAT根据瘫痪患者康复训练的特点，将下肢外骨骼设计成骸关节和膝关节两个自由度，分别由驱动器控制直流伺服电机进行运动。

关节的角度、电机的输出力矩、患者与外骨骼之间的接触力均由相应的传感器进行测量。

整个LOKOMAT系统通过一个平行四边形连杆机构与跑步机及悬吊系统相连接，稳固可靠。

训练时，患者的下肢通过六个绑带与LOKOMAT相连，最基本的被动训练只需控制四个关节的角度和角速度，以带动患者模仿人体步行运动。

为了适应不同患者的需要，该机器人的各个关节均可调整，如图1-2所示。

为了让患者感到舒适，所有与患者接触的绑带都是宽而软的。

LOKOMAT的优点是:①患者的训练状态能够被监测、评价和引导;②能够根据患者个体不同提供相应的步态模式和训练方案;③能够通过虚拟现实技术为患者提供反馈以提高患者参与训练的主动性。

图1-2 LOKOMAT机械腿
LOPES(Lowerextremi typowered Exoskeleton)也是一套主动医疗康复外骨骼，如图1-3所示。

它的设计初衷与LOKOMAT一样，是面向于下肢活动能力受损的心脑血管或神经疾病患者。

所不同的是，LOPES更加关注于所开发的机电系统与患者的兼容性和患者穿戴外骨骼训练时的舒适性。

当然，对康复外骨骼的一些常规要求，如:较大的带宽、较高的定位精度、良好的结构坚固性等，也在LOPES 中得到了相应的体现。

由于设计关注的方面不同，其驱动方式也与LOKOMAT 大相径庭。

LOPES采用绳缆拉线式的传动方式控制四个关节，并采用了一系列的弹性构件组成了系统的力反馈环节。

其独特的驱动方式，使得系统具有更加轻便的关节结构以及更为简洁的外骨骼结构，从而提高了效率。

另外，出于舒适性的考虑，外骨骼也为患者提供了更多的关节自由度，包括:骸关节的屈、伸主动自由度，膝关节的屈、伸主动自由度，踩关节的外展、内收被动自由度，骨盆的上、下移动被动自由度。

图1-3 LOPES机械腿
2001年，德国弗朗霍费尔研究所(Franhofer Institut IPK)基于吊线木偶原理，研制了一种绳驱动式下肢康复训练机器人Stringman，配合踏步车使用，如图1-4 所示。

Stringman由自动减重绳驱机构和姿态控制机构两部分组成，共六个自由度。

Stringman采用了复杂的控制结构，包括多个控制环，具有庞大的传感器系统，底层控制采用基于位置的鲁棒力控制以及柔顺控制。

减重水平根据检测到的病人支撑腿的情况自动调整。

姿态和平衡控制基于零力矩点概念，通过控制绳的张力控制zMp位置及足底反作用力。

目前该机器人仍处于样机研究阶段。

图1-4 Stringman机械腿图1-5 Arthur机械腿
2002年，美国加利福尼亚大学David Reinkensmeyer等人研制了两自由度平面康复训练机器人ARTHUR，如图1-5所示。

该机器人采用V型机构测量和控制其顶点的位置，机构顶点可与患者患侧的脚踩或膝盖连接，辅助患肢抬脚或抬腿。

与大多数机器人不同的是，ARTHUR具有高度的逆向可驱动性。

日本研制了一种旋转式下肢康复训练机器人，如图1-6所示。

它采用一个大的回转臂通过束具与患者的躯干连接，支撑患者的部分体重，同时患者在回转臂的带动下沿圆周路线行走。

该机器人的缺点是行走过程中机器人始终对患者附加一个不同于正常行走的侧向驱动力，病人膝盖会承受多余的剪切载荷。

针对口本回转式步态训练机器人的缺点以及采用祛码等传统悬吊减重方式
存在的减重力变化的问题，Seungho Kim等人分别开发了气压和电气驱动的减重移动车式步态康复训练机器人(walking training robot)。

该机器人由轮式移动平台和恒力减重系统两部分组成，轮式移动平台可工作在训练模式或者跟随模式下。

训练模式中，由移动平台引导患者按照计算机或安装于平台上的操纵杆制定的路
径行走，由移动平台跟踪患者的运动方向和速度。

针对电机驱动和气压驱动减重系统分别设计了基于滑模力控制和采用模糊力控制的恒力减重控制系统。

图1-6 旋转式康复训练机器人图1-7 MaKiKawa 的机器人日本的Makikawa实验室结合机器人技术、生物信号测量技术、虚拟现实技术研制出一种下肢康复机器人，如图1-7所示。

该机器人可以使病人模拟正常人走路、上斜坡、爬楼梯、滑行等各种运动，从而达到康复锻炼的目的。

图1-8是美国芝加哥PT公司研发的平衡机器人。

它的作用是帮助失去身体平衡的人进行康复训练的机器人，右图是患者在侧向移动。

这种康复机器人能够帮助人体平衡，而且对躯干受伤的人，或者行走失去平衡的人有非常好的效果。

它能够迅速准确地确定患者微小的动作，从而帮助患者达到预想的动作，这种康复设备不会主动地带人行走。

图1-8 芝加哥PT公司平衡机器人
AKROD (Active Knee Rehabilitation Device For Human)康复机器人是由美
到东北大学机电与机器人实验室研发的，如图1-9所示。

康复机器人在应用上也
七过去更贴近普通人，现在这台AKROD膝关节康复机器人己经在美国波士顿医完投入使用，对于膝关节由于撞击受伤的患者尤其有效。

图1-9 AKROD 康复机器人
1.3.2国内研究现状
国内在下肢机器人方面的研究起步较晚，所取得的成果也不多。

目前的研究机构主要集中在上海大学、浙江大学和哈尔滨工程大学等。

具有代表性的是，哈尔滨工程大学开发的辅助型下肢康复训练机器人和浙江大学开发的可穿戴式的下肢步行外骨骼。

自2004年开始，中科院合肥智能机械研究所开始从事这方面的相关研究工作。

2002年，哈尔滨工程大学机电一体化研究所研制了一种下肢康复训练机器人样机如图1-10所示。

该机器人由三自由度步态机构、姿态机构和重心平衡机构等组成。

其优点是可实现脚的姿态调整，在机器人的远程控制技术、虚拟现实技术及减重控制策略方面进行了实验或仿真研究，后续研制并开发了可与该
机器人配合使用的四自由度绳索牵引骨盆运动并联康复机器人。

图1-10 下肢康复训练机器人图1-11 助力机械腿
2006年，上海大学机电工程与自动化学院也开始研究了一套可穿戴式助力机械腿单侧下肢有两个自由度，分别为骸关节和膝关节的屈/伸自由度，这两个自由度分别由电动缸驱动，单侧下肢机构如图1-11所示。

浙江大学流体传动与控制国家重点实验室也在这方面做了深入的研究，研究设计了一套下肢康复医疗外骨骼，如图1-12所示。

这套系统具有骸关节和
关节两个自由度，采用伺服电机驱动，并由独立的驱动器进行控制。

并在此基础上开发了一套专用于此系统的虚拟仪器控制界面软件。

另外，专为系统制定开发的两套步态训练控制策略，即被动步态训练位置控制和半主动步态训练轨迹自校正控制，可以满足不同康复时期下肢步态康复训练的不同要求。

图1-12 伺服电动驱动的下肢康复医疗外骨骼
自2004年开始，中科院合肥智能机械研究所就开始从事这方面的相关研究工作，如图1-13所示。

机器人采用了类人结构，机构单侧共有五个自由度，分别是骸关节三个自由度，膝关节和踩关节各一个自由度。

图1-13 可穿戴型助力机器人
尽管国内在穿戴型下肢康复训练机器人领域的研究起步相对较晚，但在机器人系统关键技术研究与试验样机研制方面己经取得比较多的成果。

进一步完善下肢康复机器人系统的性能，开展相关的康复训练实验研究是今后研究工作的重要内容。

1.4下肢康复机器人研究存在的问题
（1）人-机联接模式对人-机相容性的影响。

现有下肢康复机器人中，人-机之间采用直接绑缚或通过穿戴具以紧致穿戴的形式相联接，缺乏有关人-机联接模式和约束性质的深入研究，更未分析联接模式对人-机运动相容性的影响。

因此，需要进一步研究人-机之间的联接模式及其约束特性，在机器人机构的构型设计中分析联接模式的作用与影响，并以改善人-机运动相容性为前提对机器人机构的构型进行综合与优选。

(2)机构构型对人-机相容性的影响。

现有的下肢康复机器人机构的骸关节
多采用单自由度回转副或由2个回转副进行运动等效，膝关节为单自由度回转副，
机构的尺度参数根据下肢骨胳的比例和长度确定。

优点是机器人机构的构型相对简洁且机构的设计简便易行。

但机器人机构的关节数目少于下肢骨骼的关节数目，
而且对应关节的运动属性也有所不同，构型的选取会直接影响人-机之间的运动相容性。

因此，在对人体下肢骨骼的生理结构、关节运动特性以及康复机器人机构的外挂属性进行分析的基础上，结合人-机系统的自由度分析提出较好的机构构型。

(3)机构参数优化对人-机相容性的影响。

由于下肢康复机器人机构与人体骨骼机构在关节数目、关节运动特性上的差异以及机器人机构的外挂属性，若机器人机构参数或联接参数设计不够合理，也会导致人一机运动不相容，在联接部位发生运动干涉与冲突。

因此，在优选机构构型的基础上，需要进一步研究基于运动相容性的机构参数及联接参数优化方法，定义运动相容性评价指标，构造基于运动相容性的机构参数优化模型并进行参数的优化设计。

此外，机构设计中轻便、美观和机构杆长的可调性也是研究的关键问题。

1.5课题意义及主要研究内容。