基于步态控制的下肢康复机器人的设计摘要附件接头的长度，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.基于步态控制的下肢康复机器人的设计摘要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