下肢行走康复训练机器人机械结构设计

仿 真 需 要 以下 几 个 步 骤 。
１ ）建 立 重 心 调 整 机 构 的 简 化 模 型 ，在 重 心 上 下 变 化 面上 ，根 据 设 计 方 案 ，确 定 机 架 、 腿 部 连 接 架 、和 上 Ｆ 支 撑 臂 构 成 平行 四 边 形 机 构 ，气 弹 簧 作 为 该 平 行 四 边 形 机 构 的一 条 对 角 线 ．腿 部 机 构 和 人 体 的 自身 重 力 作 为 载 荷 Ｆ ， ｎ
训 练 机 器 人 外 骨 骼 模 型 该 模 型 驱 动 部 分 由气 缸 驱 动 ，并 分 别 安 装 电 位 器 式 位 移 传 感 器 和拉 线 式 位 移 传 感 器 ．用Fra Baidu bibliotek于 检 测 气 缸 的 伸 缩 位 移 量 ，并 将 信 号 送 人 数 据 采 集 卡 ，通 过 硬 件 电路 平 台 ，送 入
通 过 气 弹 簧 提 供 的 弹 力 Ｆ提 供 支 撑 。 随 着 气 弹 簧 的 伸 缩 ， 其 行 程 Ａ 会 发 生 改 变 ， 四边 形 形 状 发 生 变 化 ，其 连 接 腿 部
的边 就 会 上下 运 动 ．从 而 带 动 患 者 整 体 重 心 上 下 移 动 ．实 现 人 体 重 心 的 动 态 调 整 。 由此 可 以 确 立 各 个 构 件 的 尺 寸 ， 同时 设 定 相 关 坐 标 系 参 数 。 ２ 根据 仿 真 需 要 添 加 驱 动 器 ，示 波 器 等 相 关 模 块 。 ） ３ 获 取 输 入 的 驱 动 信 号 。 重 心 平 衡 机 构 要 模 拟 人 的 ）
平 衡 的 目的 。 最 后 一 部 分 是 腿 部 机 构 ，根 据 正 常 成 年人 的 身 高 比例 尺 寸 ，确 定 各 个 构 件 的 基 本 尺 寸 ，包 括 髋 关 节 、 膝 关 节 和 踝 关 节 三 个 关 节 ，分 别 连 接 了 该 部 分 的 大 腿 机
四边 形 的 四 个 顶 点 由 铰 链 连 接 ， 可 以 自 由转 动 。 气 弹 簧 是
小 自动伸 缩 ，从 而缓
冲该 压 力 的 大 小 ．最 终 就 会 跟 随人 体 重 心
的上 下移 动 ，来 被 动 实现 人 体 重 心 的变 化
轨迹 。
构
３重 心 平 衡 机 构 设 计
３１人体 重 心轨 迹研 究 ．
通 过 建 立 一 个 抽 象 的 人 体 棍 棒 模 型 ．分 析 出 人 在 正 常
高 ， （ 芋）（ Ａ 步 ， 为 度 Ⅳ、， ／Ｊ 一 １Ａ ，为 宽 Ｓ步 －２ ）
长 ，５ ｃ ０ ｍ≤Ｓ ０ ｍ。ｈ为 身 高 ，ｍ 为 人 站 立 时 两 脚 支 撑 ≤８ ｃ 点 的距 离 ．／ 为人 行走 时左 右 摆 动 一 次 的 时 间 ． 为 行 走 时 ｏ
化 ，故 在 此 仅 考 虑 重 心 上 下 变 化 的情 况 ，这 里 就 把 气 弹 簧 的行 程 变 化 来 作 为 重 心 平 衡 机 构 的输 入 量 ，作 为 其输 入 参 数。
图 ３ 身 高 为 １５ｍ 人体 重心 变化 轨 迹 ６ｃ
气弹簧行程变化计算 ：
Ｉ ＝ ｇ 厂 一足 ｍ 一 吊 厂
以气 体 和 液体 为 工 作 介 质 的一 种 弹 性 元 件 ， 由压 力 管 ，活 塞 ，活 塞 杆 及 若 干 联 接 件 组 成 ，其 内部 充 有 高 压 氮气 ，与
机械 弹 簧不 同的 是 ． 气 弹 簧 具 有 近 乎 线 性
的 弹 性 曲 线 。 当气 弹
构 、小 腿 机 构 和 脚 部 机 构 ，从 而 组 成 了可 穿 戴 式 步 态 康 复
图 ４ 重 心平 衡 机 构 原 理 图
州
￡
ｓｃ ； ｎ
进 行 设 计 和 仿 真 。直 接 通 过 模 块 对 实 际 构 件 和 构 件 之 间 的
关 系来 对 系 统 进 行 建 模 和 设 计 。 在 其 中加 入 控 制 模 块 即 可
：
ｎ ． ＋ ｃ ｒ
组成 复杂 的机 电一 体 化 系统 ］ 。
间 ， 为 行 走 速 度 。 为 人 行 走 时 重 心 上 下 位 移 量 ，Ｙ为 左 右位 移 量 ，。为前 后 位 移 量 【。 ３
以身 高 １ ５的 人 为 例 。其 重 心 轨 迹 如 图 ３ 示 。 ． ６ 所
正 常 重 心 变化 ，就 需 要 给 其 输 入 正 常 人 行 走 的重 心 变 化 曲 线 ． 由于 人 体 重 心 的左 右 和 前 后 变 化 量 远 小 于 重 心 上 下 变
３２机械 结构 设 计 ．
根 据 上 述 人 体 重 心 轨 迹 的 变 化 曲线 ，可 知 人 体 重 心 平 衡 是 很 有 必 要 的 。本 文设 计 了 一 种 被 动 调 节 该 重 心 变 化 的
簧 受 到 来 自人 体 的 压
力 时 ，会 根据 压力 大
＼
腿 ＼
由Ｐ Ｃ机 构 成 的 上 位 机 ，处 理 后 ．由 Ｐ Ｃ机 向 气 动 高 速 电磁 阀 输 入 信 号 ，驱 动 气 缸 完 成 动 作 ，从 而 构 成 了 一 套 完 整 的 闭 环 控 制 系 统 ，控 制该 机 构 完 成 指 定 动作 。
ｚ＝Ｖ ・ ｆ
（ ）建 立 仿 真 模 型 １
在 Ｓｍｕｉ ｉ ｌ ｋ环 境 下 对 步 态 康 复 训 练 机 器 人 进 行 运 动 学 ｎ
式 中 ： ＝ ｖ ． ２ ｈ＋ ．５ ￣ ０３ ５ ２０２ ｍ２． 为 站 立 时 重 心 与 脚 支 ／ ０ Ｏ
撑 点 的距 离， 行 走 过 程 中重 心 处 于 最 低 点 时 重 心 到 地 面 的 为
站 立 时 、 以及 在 行 走 过程 中重 心 最 高 、最 低 几 种 特 殊 的 状
态 ．得 到 这 几 个 特 殊 状 态 的 数 据 ． 其 三 维 数 学 方 程 式 如
下 ：
４运 动 仿 真
ＳｍＭｅ ｈ ｎｃ ｉ ｃ ａ ｉｓ利
用模 块 框 图 的建 模 环
境 来 对 刚 体 机构 运 动