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1、,下肢康复机器人的设计与研究,1,2,随着科学技术的发展,肢体康复机器人技术作为机器人技术的一种,得到了迅速的发展。下肢康复机器人能够辅助下肢运动功能障碍患者模拟正常人的步态规律作康复训练运动，从而锻炼患者下肢肌肉，恢复神经系统对行走功能的控制能力以及患者正常走路机能。 对脚踏式下肢康复机器人工作空间进行了分析，提出了脚踏式下肢康复机器人的总体方案，介绍机器人控制系统。,运用绘图软件对机器人主体结构进行构件设计,阐述了机器人工作原理。分析现有的下肢康复机器人技术特点，阐明了本脚踏式下肢康复机器人的技术优点。根据机械设计和机械原理基础知识为整个下肢康复机器人结构设计提供了理论依据。,3,4,1.
2、康复理论,康复机器人是一种特殊的机器人，它的受用对象的病人，所以在进行下肢康复机器人研究时必须了解康复医学知识，懂得运动康复机理。本文对下肢康复机器人治疗原理进行了分析。,2.机器人总体设计,根据脚踏式下肢康复机器人的工作空间以及模拟正常人步态轨迹研究和设计了机器人总体结构。,3.机器人机械结构设计,5,建立了机器人主体机构模型并说明其工作原理及其创新点,同时对机器人主要零部件、主要连接机构、主要传动进行了说明。,4.机器人控制系统研制,分析了康复控制策略,确立了集中控制的控制方式,完成了总体控制平台的搭建。,2.1下肢结构模型,6,人体下肢运动关节主要包括髋关节、膝关节、踝关节，各关节运动关
3、系如图所示，通过三个主要运动特性的比较可知，各关节的共同运动为屈、伸运动。 通过对下肢各关节运动特性分析，可以建立下肢的简单刚体模型。,2.2步态分析,7,一个步态周期包括支撑期和摆动期，一侧足跟着地期为支撑，离地期为摆动期。支撑期站一个步态周期的60%，摆动期占一个步态周期的40%，其中单侧肢体支撑期占40%，双侧肢体支撑期占20%。,2.3下肢康复机器人总体设计,8,2.2下肢康复机器人总体设计,下肢康复机器人是帮助下肢运动障碍患者进行运动机能恢复性训练,尽可能模拟正常人，使患者下肢的运动功能得到锻炼和恢复。 首先，下肢康复机器人应该具有合理的结构,满足机器人空间设计要求。 其次，下肢康复
4、机器人应该具有足够的安全性。结构上,患者的下肢运动空间不能与牵引机构的运动空间发生干涉,同时运动机构不能对对患者下肢产生过大的牵引力。最后,下肢康复机器人属于医疗设备范畴,应该无噪声、无污染、外观漂亮,以利于患者更好的康复训练。,2.4下肢康复机器人的性能指标,1.承载能力应达到85kg;2.占地应小于1平米3.能康复下肢髋、膝、踝关节,具有6自由度（F=3n(2PL +Ph ) n:活动构件数，PL：低副约束数Ph:高副约束数）4.能近似模拟正常人行走步态轨迹和脚步位姿;5.能进行主被动训练6.具有可移动性;7.最高训练次数可到60次/每分钟;8.训练器工作时噪音小、无明显震动,2.5 康复
5、机器人总体方案,11,脚踏式下肢康复机器人的总体方案由机器人本体和控制部分组成 。 机器人本体:包括步态机构、左脚踝姿态机构、右脚踝姿态机构和支撑机构,两姿态机构位于步态机构两侧,对称布置,支撑机构用于定位放置步态机构、姿态机构和控制平台; 控制部分:完成机器人各执行机构的控制功能和机器人状态的检测,同时实现人机界面交互,控制机器人速度,机器人状态显示等功能。,脚踏式下肢康复机器人的总体方案由机器人本体和控制部分组成 。 机器人本体:包括步态机构、左脚踝姿态机构、右脚踝姿态机构和支撑机构,两姿态机构位于步态机构两侧,对称布置,支撑机构用于定位放置步态机构、姿态机构和控制平台; 控制部分:完成机
6、器人各执行机构的控制功能和机器人状态的检测,同时实现人机界面交互,控制机器人速度,机器人状态显示等功能。,12,整个下肢康复机器人是根据人体处于坐姿时膝关节和脚踝关节屈伸运动时的运动原理，设计一个可以实现患者下肢六个关节的康复训练机构。步态机构实现整个下肢的运动,姿态机构实现下肢踝关节的位姿运动。 通过功率驱动电路,来驱动控制步态机构和姿态机构的两个电机,从而达到驱动控制下肢康复机器人的目的。,选用电动机驱动的驱动方式。步态电机和姿态电机都采用伺服电机，伺服驱动器总是与其对应的同等功率的伺服电机一起配套使用。通过脉冲输入接口来接受从上位控制器发来的脉冲序列，进行速度和位置的控制，通过数字量接口
7、信号来完成驱动器运行的控制和实时状态的输出。,14,2.6机械部分总体结构,它由大电机1、小电机2、磁粉制动器3、底座4、座架5、把手6、操作台7、箱体8、连杆9、同步带传动机构10、踏板11组成。,2.7 系统控制部分,所述控制系统独立于机器人的机械结构，通过数据线与机器人本体连接在一起，并进行康复训练控制，包括硬件和软件，所述硬件部分包括计算机和与其数据线分别连接的显示器，多轴运动控制卡，驱动器、位置传感器和力传感器，所述位置传感器有四个，分别集成在四个直流伺服力矩电机力矩电机内，通过数据线输出膝关节和膝关节的运动信息，所述力传感器有四个，分别安装在所述左、右大腿机构和左、右小是机构的柔性
8、连接带中，用于通过数据线输出患者下肢与机器人之间的干涉力。所述软件包括用户模块、实时控制模块和康复效果评价模块。,总结,首先根据人体参数和步态轨迹对下肢康复机器人工作空间进行了分析,然后根据康复机器人总体设计要求设计了总体方案,步态机构实现整个下肢的运动,姿态机构实现下肢踝关节的位姿运动。最后设计出脚踏式下肢康复机器人总体结构。,参考文献,1李军强,王娟,赵海文,等.下肢康复训练机器人关键技术分析J.机械设计与制造,2013(9):220-223.2郭素梅,李建民,吴庆文,等.Lokomat全自动机器人步态训练与评定系统的应用J.中国医疗设备,2011,26(3):94-96.3马素慧,刘丹,
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