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（优秀毕业全套设计）基于步态控制的下肢康复机器人的设计

踝关节个部分。髋关节是球窝关节，它的活动形式有种，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。踝关节有背跖屈侧向内转外展向内外扭转种形式的运动。每条腿有个自由度，想要设计出个能够完成下肢各个关节的康复运动的机器人非常难。考虑到有些关节运动消耗的能量小和结合康复医学的相关知识，确定个自由度髋关节的向前伸展向后伸展，膝关节的向前伸展向后伸展，踝关节的背曲和跖曲。总体结构有两条腿和个减重机构共个自由度。基本参数的选取下肢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至康复机器人的关节运动范围。下肢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致。为了安全，机器人的关节运动范围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.。表.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.髋关节向后伸展.膝关节向前伸展膝关节向后伸展.踝关节背曲.踝关节跖曲.注各关节的零度位置是人体双脚并立，垂直站立。驱动器的选择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，整个康复要要安全柔顺。本设计中的驱动器选择直线气缸。因为由传统的电液驱动的马达或液压缸驱动结构复杂，所需能源的消耗较大。考虑到安装和运动的方便，采用圆形气缸。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，可以充分利用气缸所作的功，减小机构体积。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膝关节轴线和踝关节轴线不同轴，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。其优点可避免出现实验对象单化，扩大使用对象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气缸的重量和实验对象人体下肢各段的重量。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。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。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。腰带方面可以对机械骸关节进行固定作用，另方面在人行走过程中，当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支处于支撑状态的机械腿上，这样可以部分分担因支腿抬起时，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软制护腰带，金属带与护腰带之间通过自粘带连接在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。减重机构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部分。考虑到各个病人腿部力量的不同，减重比例要可以调节，要从。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，气缸和杆件之间的干涉，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。.本章总结本章在对康复机器人步态分析了解的基础上，构建用气缸作驱动器的下肢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气缸的选型计算等。第章机械结构的设计与计算及驱动元件选型本章设计了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。.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，具体参数见表.。表.中国青年几何统计表数据足小腿大腿质量.长度质心长度腿围因为本设计是要带动人的下肢进行关节旋转运动的，所以机器人下肢的旋转角度和运动灵活性也要和人行走时的下肢接近。考虑到本设计的使用对象是有运动功能障碍的患者，所以确定各旋转关节运动为髋关节向前伸展范围为，向后伸展为膝关节屈伸范围为踝关节向上折屈范围为，向下伸展为。角度范围的选择是根据第章中青年男子在行走时关节活动角度数据而定的。.各关节运动学分析本设计中的关节均为旋转关节，它由上下杆件和两块关节连接板，轴承及轴承盖和传感器组成。具体结构见装配图。踝关节的运动学分析图.所示为下肢踝关节的运动学模型示意图。是小腿杆的部分的长度，是气缸端部安装孔距小腿杆中心线的距离，是关节中心到气缸活塞杆接头关节轴承中心的距离，为气缸的长度包括附件接头的长度，为关节中心点到的距离，为关节转过的角度。图.踝关节运动学模型其中，单位为毫米的范围为。气缸的长度包括附件接头的长度由下面公式.计算出的范围为，行程为。的最小值为。膝关节的运动学分析图.所示为下肢膝关节的运动学模型示意图。是大腿杆的部分的长度，是气缸端部安装孔距关节中心水平方向上的的距离，是关节中心到气缸活塞杆接头关节轴承中心的距离，为气缸的长度包括附件接头的长度，为关节中心到的距离，为关节转过的角度。图.膝关节机构运动学模型其中气缸的长度可由公式.算出。计算出的的范围为，行程为。的最小值为。髋关节的运动学分析图.所示为下肢髋关节的运动学模型示意图。是大腿杆的部分的长度，是气缸端部安装孔距关节中心水平方向上的的距离，是关节中心到气缸活塞杆接头关节轴承中心的距离，为气缸的长度包括附件接头的长度，为关节中心到的距离，为关节转过的角度。其中的范围为。气缸的长度可由公式.算出。计算出的的范围为，行程为。的最小值为。图.髋关节机构运动学模型.关节力矩分析由于本设计的机械结构部分的作的是低速运动，所以零件的选择从静力学角度分析和计算。图.力矩分析示意图其中分别为髋关节膝关节和踝关节的旋转角度，以轴正方向为初始位置，图中所示角度的转向为正向分别为大腿和小腿的长度分别为大腿小腿和足的质心分别是大腿小腿和足的质心到相应关节的距离。根据力矩方程.得到各关节的力矩方程分别为.式中分别是各质心处的质量，包括人体和机械结构总质量。在下面的计算过程中，力矩的计算式均是按式.的原理计算的，所不同的是，下面的计算均取的是极限位置，即各关节受到最大力矩的位置。.具体结构设计关节结构的选择各个关节均为旋转关节，实现结构如图.所示。滚动轴承传动有摩擦阻力小，功率消耗少，启动容易等优点，可以充分利用气缸所作的功，减小机构体积。通过关节连接板将关节的两个杆件连接在起，而且整个机构零件分散，零件个体小，可以使整个关节结构轻便小巧安全。图.关节结构图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，本设计中连杆结构采用内外杆结构通过调节内外杆之间固定位置调整连杆的长度即大小腿的长度。如图.为小腿的结构，图.为大腿的结构。图.小腿的结构图.大腿的结构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。为适应不同腰围患者的需求，腰部结构中有铰链调整结构，可以调整腰围大小。同时为了适应人体行走时骨盆上下运动，腰部结构中有可以转动的关节结构。如图.是实体效果图。图.腰部实体效果图减重机构减重机构如图.所示，它由滑车内的气缸带动安全带上下运动，安全带上的力传感器检测安全带上的力的变化，并根据力的变化调整减重气缸的供气压力，使得气缸提供恒定拉力，减重机构起到恒力减重作用。图.减重机构图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。具体装配方式见总体装配图。如图.是实体效果图。.些零件的设计和校核轴承的选择及校核本设计中的轴承主要承受径向力，所以选用深沟球轴承,它的径向基本额定动载荷.，预期寿命小时。最大当量动载荷，寿命指数ε，转速,轴承基本额定寿命单位为小时为所选轴承符合要求气缸的选择本设计中用到的气缸是根据德国公司提供的型号选用的，.类型根据工作要求和条件，选择双作用单耳环气缸。.安装方式根据工作条件，选择摆动式单耳环气缸。.作用力大小负载力，负载率η，气缸输出力拉η，推η，气体压力.，由公式拉.和推.由于拉推，其中为力臂，在气缸输出力计算时，选择拉为代表计算即可。，受到的横向力为，计算销轴受到的挤压应力。