【毕业论文】康复机器人的系统毕业设计说明书

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。

图图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。

图卧式下肢康复机器人图下肢康复训练机器人本课题主要研究内容本文基于姿态控制步态康复训练系统的设计的研究目的是设计出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，同时进行了气动控制系统的设计。

课题内容主要包括步态康复训练系统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。

机器人机械本体结构的设计与计算，包括姿态控制结构设计和减重结构设计。

机器人驱动器的供气控制系统的设计。

第章总体方案设计与选择的论证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个步态周期内的运动情况如图所示。

图步态周期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，它占了个步行周期的。

摆动期是脚在空中的时间，它占了个步行周期的。

足跟接地即进入支撑期，足趾离地进入摆动期。

支撑期占步行周期其中单侧肢体支撑期占，双侧肢体支撑期占，摆动期占步行周期的。

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。

各时期划分及有关具体内容如下双侧肢体支撑期。

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。

侧足的预承重期即为对侧足的摆动前期。

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。

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脚后跟受般的步态历程，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。

下面从图图显示了个的人以的步行速度在平地上走时，髋关节膝关节踝关节三处关节在个步行周期内不同阶段的转角和力矩变化。

图步行周期内踝关节的角度变化图踝关节力矩变化由图可知步行时踝关节处力矩的最大值为，角度范围为。

由图可知步行时踝关节处力矩的最大值为，角度范围为。

由图可知步行时踝关节处力矩的最大值为，角度范围为。

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。

图膝关节的角度变化图膝关节的力矩变化图髋关节角度变化图髋关节力矩变化方案的选择本设计的主要工作是设计出个下肢有六个自由度下肢每条腿有个自由度的康复机器人及其相应的框架和减重机构个自由度，然后绑在人腰部和下肢上，分别带动髋关节膝关节和踝关节的运动，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，机构模型如图。

它由减重机构姿态控制机构运动平板等组成。

减重机构可以承担患者的部分体重，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个恒力，它由个气缸通过滑轮驱动。

运动平板通过电机驱动，能调节速度，使适应人体行走的不同速度需要。

姿态控制机构主要模仿人体下肢关节的功能结构。

由气缸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。

选择气缸的型号，进行所需行程的计算。

进行了结构设计计算。

根据机械设计的基本理论和方法，选择能完成机械运动的合适的零件，设计计算零件的型号和尺寸。

考虑制作工艺性和装配工艺性，设计连接件的结构，如关节，用于关节间连接的支架，下肢的伸缩杆结构等零件。

针对机器人的驱动方式和应用场合，对供气系统进行了设计，并初步分析了控制系统的基本组成和机器人的运行方式。

设计出的康复训练机器人能够完成定的康复训练工作，但要完全实现自动化控制，提高机器人的柔顺性，还需要开展如下的研究工作进步研究气缸及其驱动关节的动态模型研究气缸闭环控制系统的特点，进步提高系统的柔顺性。

进步优化关节结构和杆件结构。

参考文献张付祥，付宜利，王树国康复机器人研究现状河北工业科技杜志江，孙传杰，陈艳宁康复机器人研究现状中国康复医学杂志，，黄靖远，刘宏增等，虚拟现实康复工程前景初探生物医学工程学杂志夏昊昕下肢康复训练机器人的研究哈尔滨哈尔滨工程大学孙建东，金德文种下肢被动运动康复训练器中国康复医学杂志谭冠政，尉忠信，朱剑英空间型两足步行机器人的运动学建模研究航空学报陈东辉，佟金，张书军，陈秉聪人和动物的步态与步行机器人中国农业机械学会成立周年庆典暨年学术会论文集胡宇川人体下肢外骨骼工作机理研究南京南京理工大学，王斌锐异构双腿行走机器人研究与开发沈阳东北大学，蔡自兴机器人学北京清华大学出版社，年月南斯拉夫麦沃曼尔伍科布拉托维奇著，马培荪，沈乃勃译步行机器人和动力型假肢科学出版社年机器人技术手册日本机器人学会编科学出版社，年月戢敏，袁中凡，林大全仿真假人人体参数的计算和分析中国测试技术，第期年月张立勋，赵凌燕下肢康复训练机器人的重心轨迹控制研究应用科技，郑秀瑗运动生物力学进展国防工业出版社，中国有限公司现代实用气动技术北京机械工业出版社，徐炳辉气动手册上海上海科学技术出版社，致谢本论文是在隋立明老师的悉心指导与亲切关怀下完成的。

在整个课题设计过程中，老师在课题方向的正确把握，对课题前沿研究成果的密切追踪，避免了我走很多弯路。

老师严谨求实诲人不倦的治学态度以及敏锐的思维和丝不苟的科研精神，使我受益匪浅。

老师在课题研究的过程中对我的耐心的指导，更令我终身难忘。

值此论文完成之际，谨向老师致以诚挚的感谢，在此还要热情的感谢所有的代课老师们，你们认真细心的教导使我掌握了论文设计的基础知识。

总之，感谢所有帮助关心和支持我的老师们同学们和朋友们，目录第章绪论概述康复机器人的国内外研究现状本课题主要研究内容第章总体方案设计与选择的论证步态分析方案的选择自由度的设计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设计减重机构整体结构设计本章总结第章机械结构的设计与计算及驱动元件选型人体参数各关节运动学分析踝关节的运动学分析膝关节的运动学分析髋关节的运动学分析关节力矩分析具体结构设计关节结构的选择连杆结构的选择腰部结构设计减重机构整体结构设计些零件的设计和校核轴承的选择及校核气缸的选择连杆的计算与校核销轴的校核双头螺柱的校核传感器的选取减重系统分析及相关计算本章小结第章供气与控制系统的设计供气系统的设计供气回路设计气动元件的选择康复机器人的训练方式气动自动控制方框图本章小结结论参考文献致谢第章绪论概述据报道，我国岁以上的老年人已有亿，占全国人口的，到年将达到亿。

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，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，年医疗护理康复机器人的市场份额约为，美元，而到年将上升到美元，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。

康复机器人是康复设备的种类型。

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，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种用于脑损伤中风等病人的步态康复训练系统，帮助病人更好地进行康复训练，减轻他人的帮助，挺高效果。

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，使病人获得更多的生活能力，提高了病人的生活质量等。

康复机器人是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