（终稿）穿戴式机械腿机构的设计（全套完整有CAD）

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步行机器人在多个行业具有很多应用优势，逐渐成为国内外机器人研究领域的个热点。步行机器人与其他履带式轮式机器人相比，具有以下的运动特性。步行机器人具有良好的地面自适应性步行机器人可以在复杂的地形上利用离散的点来选择最优的地面支撑点，并且可以跨越定的障碍物。步行机器人的腿部运动系统比较稳定步行机器人的腿部运动系统可以保证身体相对地面的稳定，因其腿部具有多个自由度，灵活性大，同时可以通过调节腿的伸展度来调整重心，因此不易翻倒，稳定性高。仿人机器人作为步行机器人的种形式，是提高机器人机动性和节省能源的条重要途径。仿人机器人是机器人研究领域最高研究成果的代表。相对于其他机器人，仿人机器人具有人的外形，并具备良好的人机交互能力，所以在娱乐服务等领域，仿人机器人具有更明显的优势。图机械腿第二章穿戴式机械腿机构运动分析.引言机械腿的结构设计必然是个挑战。机械腿自身特点穿戴性，决定了它需要更为合理的机构设计。机构设计的优劣直接影响穿戴的舒适性。机构的功能设计要反映下肢骨骼的运动特点。人体生物骨骼的关节结构运动形式和步行的运动特征都是外骨骼设计的基本依据。通过分析人体骨骼模型和关节运动建立人体简化模型。通过分析步行特征初步掌握关节运动协调规律。采用简化模型分析人体运动学特性。通过这些特征的研究，合理设计出穿戴舒适运动灵活可靠的外骨骼机构，使其与人体运动达到协调统。无论机构如何进行空间构型设计，都必须要穿着于人体的框架之上，并要求保持机构结构与人体形态的相互统，满足人体运动的空间需要。因而机构构型的空间设计首先必须满足人体骨骼的基本框架。因为人体结内在下肢机器人方面的研究起步较晚，所取得的成果也不多。目前的研究机构主要集中在上海大学浙江大学和哈尔滨工程大学等。具有代表性的是，哈尔滨工程大学开发的辅助型下肢康复训练机器人和浙江大学开发的可穿戴式的下肢步行外骨骼。自年开始，中科院合肥智能机械研究所开始从事这方面的相关研究工作。年，哈尔滨工程大学机电体化研究所研制了种下肢康复训练机器人样机如图所示。该机器人由三自由度步态机构姿态机构和重心平衡机构等组成。其优点是可实现脚的姿态调整，在机器人的远程控制技术虚拟现实技术及减重控制策略方面进行了实验或仿真研究，后续研制并开发了可与该机器人配合使用的四自由度绳索牵引骨盆运动并联康复机器人。图下肢康复训练机器人图助力机械腿年，上海大学机电工程与自动化学院也开始研究了套可穿戴式助力机械腿单侧下肢有两个自由度，分别为骸关节和膝关节的屈伸自由度，这两个自由度分别由电动缸驱动，单侧下肢机构如图所示。浙江大学流体传动与控制国家重点实验室也在这方面做了深入的研究，研究设计了套下肢康复医疗外骨骼，如图所示。这套系统具有骸关节和关节两个自由度，采用伺服电机驱动，并由独立的驱动器进行控制。并在此基础上开发了套专用于此系统的虚拟仪器控制界面软件。另外，专为系统制定开发的两套步态训练控制策略，即被动步态训练位置控制和半主动步态训练轨迹自校正控制，可以满足不同康复时期下肢步态康复训练的不同要求。图伺服电动驱动的下肢康复医疗外骨骼自年开始，中科院合肥智能机械研究所就开始从事这方面的相关研究工作，如图所示。机器人采用了类人结构，机构单侧共有五个自由度，分别是骸关节三个自由度，膝关节和踩关节各个自由度。图可穿戴型助力机器人尽管国内在穿戴型下肢康复训练机器人领域的研究起步相对较晚，但在机器人系统关键技术研究与试验样机研制方面己经取得比较多的成果。进步完善下肢康复机器人系统的性能，开展相关的康复训练实验研究是今后研究工作的重要内容。样，是面向于下肢活动能力受损的心脑血管或神经疾病患者。所不同的是，更加关注于所开发的机电系统与患者的兼容性和患者穿戴外骨骼训练时的舒适性。当然，对康复外骨骼的些常规要求，如较大的带宽较高的定位精度良好的结构坚固性等，也在中得到了相应的体现。由于设计关注的方面不同，其驱动方式也与大相径庭。采用绳缆拉线式的传动方式控制四个关节，并采用了系列的弹性构件组成了系统的力反馈环节。其独特的驱动方式，使得系统具有更加轻便的关节结构以及更为简洁的外骨骼结构，从而提高了效率。另外，出于舒适性的考虑，外骨骼也为患者提供了更多的关节自由度，包括骸关节的屈伸主动自由度，膝关节的屈伸主动自由度，踩关节的外展内收被动自由度，骨盆的上下移动被动自由度。图机械腿年，德国弗朗霍费尔研究所基于吊线木偶原理，研制了种绳驱动式下肢康复训练机器人，配合踏步车使用，如图所示。由自动减重绳驱机构和姿态控制机构两部分组成，共六个自由度。采用了复杂的控制结构，包括多个控制环，具有庞大的传感器系统，底层控制采用基于位置的鲁棒力控制以及柔顺控制。减重水平根据检测到的病人支撑腿的情况自动调整。姿态和平衡控制基于零力矩点概念，通过控制绳的张力控制位置及足底反作用力。目前该机器人仍处于样机研究阶段。图机械腿图机械腿年，美国加利福尼亚大学等人研制了两自由度平面康复训练机器人，如图所示。该机器人采用型机构测量和控制其顶点的位置，机构顶点可与患者患侧的脚踩或膝盖连接，辅助患肢抬脚或抬腿。与大多数机器人不同的是，具有高度的逆向可驱动性。日本研制了种下肢康复机器人分类牵引型下肢康复训练机器人系统主要由减重装置和数个牵引机器人组成，机器人操作端分别与患肢的膝踩部柔性连接。康复训练的过程是患者经吊带减重后，由机器人牵引患肢的连接部位按预期的操作端轨迹进行康复训练运动。典型的牵引型下肢康复机器人系统有美国公司研制的系统和美国加州大学洛杉矶分校研制的系统等，其中系统的牵引机器人数目为个，系统的牵引机器人数目为个。牵引型下肢康复机器人系统可根据康复训练需要对系统进行重组，并具有牵引运动形式多样对患肢的适应性较强等优点，但其机械及控制系统的组成相对复杂，国内未见有相关研究的报导。运动踏板型下肢康复训练系统主要由减重装置和对运动踏板组成，康复训练的过程是患者经吊带减重后，双足与运动踏板保持接触，运动踏板根据预先规划的轨迹运动，在患者自重体重与减重量差值与运动踏板推力共同作用下进行患肢的康复训练运动。典型的运动踏板型康复训练系统有德国研究所与柏林自由大学研制的系统系统和口本大学研制的系统等。其中，和为多自由度运动踏板训练系统，为单自由度每个踏板运动踏板训练系统。国内从事运动踏板型康复训练系统研究的机构主要有清华大学和哈尔滨工程大学，并研制出具有单多自由度的卧式及立式运动踏板训练系统。多自由度运动踏板训练系统对患肢不同的训练需求具有较强的适用性，可以模拟正常的下肢运动步态和脚踩运动位姿，还能够根据训练需要灵活调整设计踏板的运动规律。穿戴型下肢康复训练机器人系统由减重装置运动平板以及与支撑装置相连的穿戴型下肢康复机器人外骨骼组成。康复训练的过程是患者穿戴下肢康复机器人并经吊带减重后，机器人根据预先规划的运动规律和控制策略，导引患者下肢协同运动进行康复训练。同时患者的双足依次与运动平板相接触，在运动平板的带动下进行踩关节的康复训练。穿戴型下肢康复机器人系统既能进行下肢的被动康复训练，也可以对下肢进行主动康复训练。得了良好的临床效果，成为下肢康复医疗采用的主要方法。训练采用悬吊式减重器和活动平板医用跑步机配合工作来协助患者完成步行动作。其悬吊装置可以不同程度地减少患者上身体重对下肢的负荷，患者在康复治疗师的帮助下借助于运动平板进行康复训练。训练过程中般需要两名治疗师相互协调，名治疗师在患者侧面帮助并促进患者侧下肢摆动，确定脚跟先着地，防止出现膝关节过伸，保证两腿站立时间与步长对称另名治疗师站在患者身后，促进重心转移至负重腿上，保证骸屈伸骨盆旋转和躯干直立。减重步行训练可以获得较为理想的肢体功能恢复效果，但是这种治疗师对患者“手把手”式的训练方式存在些问题。首先，名患者需要两名治疗师进行运动训练，效率低下，并且由于治疗师自身的原因，可能无法保证患者得到足够的训练强度，而且治疗效果会受到治疗师自身经验和水平的影响。其次，不能精确控制和记录训练参数运动速度轨迹强度等，不利于治疗方案的确定和改进不能记录描述康复进程的各种数据，康复评价指标不够客观无法建立训练参数和康复指标之间的对应关系，不利于对患者神经康复规律进行深入研究。再有，不能向患者提供实时直观的反馈信息，训练过程缺乏吸引力，患者多为被动接受治疗，参与治疗的主动性不够。可以看出，单纯依靠治疗师进行康复训练，无疑会制约康复训练效率的提高和方法的改进。因此，开拓更加广泛的康复训练手段和进步提高康复效率是解决患者运动功能障碍的当务之急。而突破这个问题的关键在于科学技术的创新，下肢康复机器人技术的发展和运用解决了这个问题。首先，机器人不存在“疲倦”的问题，能够满足不同患者对训练强度的要求其次，机器人可以将治疗师从繁重的训练任务中解放出来，而专注于制定治疗方案分析训练数据优化训练内容并改进机器人的功能再次，机器人可以客观记录训练过程中患者患肢的位置方向速度以及肌力恢复状态等客观数据，供治疗师分析，以评价治疗效果更进步，机器人所记录下的详细数据，使得治疗师有可能从中发现数据与治疗结果之间的对应关系，从而有可能深入了解中枢神经康复的规律还有，使用机器人技术可以通过多媒体技术为患者提供丰富多彩的训练内容，使患者能够积极参与治疗，树立康复信心，并及时得到治疗效果的反馈信息最后，机器人治疗技术使得远程治疗和集中治疗名治疗师同时为几名患者提供指导成为可能，通过将成熟的产品推广应用，最终使所有的患者受益。.下肢康复机器人概况康复机器人是康复医学和机器人技术的完美结合，人们不再把机器人当作辅助穿戴,穿着,机械,机构,设计,毕业设计,全套,图纸中文摘要本论文研究穿戴式机械腿机构。穿戴式机械腿是种典型的人机体化系统，该机构是种穿戴于人体腿部帮助有下肢乏力的患者进行康复治疗的机械结构。本文在人机相容性方面做了详细的分析，使本机构在较好的穿戴位形下依靠人体的运动信息控制穿戴式机器人，在运动过程中提高人机步态的致性，达到更好的康复治疗的目的。论文分析了国内外研究现状，了解了国内外相关研究的背景情况研究进展和未来的发展问题，总结了下肢康复机器人研究中还存在的问题，进而确定了本文的主要研究内容及所需解决的关键问题。本文确定了下肢康复机器人机构的自由度，对机构进行了关节布位，通过自由度的分析对人机联接模式和约束性质进行了研究，从而确定了骨骼机构联体模型。在人体骨骼模型的基础上，提出了种机构构型方案。对人机相容性进行了定义，分析了人机相容性的影响因素。在此基础上分别对人体下肢骨骼模型和这种机构构型进行了三维模型设计。入老龄化社会，老龄化问题逐渐得到关注。年度中国老龄事业发展统计公报称，年我国岁及以上老年人口己达到.亿，占总人口的.到年我国岁及以上老年人口将达到.亿，约占总人口的.。在老龄人群中有大量的脑血管疾病或者神经系统疾病患者，其中以脑卒中患者居多，而这类患者多数会留下偏瘫等症状。另外，近十年来我国各类交通运输工具的保有量迅速增长，因交通事故造成身体损伤的人数每年超过万人。据统计，我国目前有万残疾人，有康