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1、1 2 隨著科學技術(shù)的發(fā)展 ,肢體康復機器人技術(shù)作 為機器人技術(shù)的一種 ,得到了迅速的發(fā)展 。 下肢康 復機器人能夠輔助下肢運動功能障礙患者模擬正 常人的步態(tài)規(guī)律作康復訓練運動，從而鍛煉患者 下肢肌肉，恢復神經(jīng)系統(tǒng)對行走功能的控制能力 以及患者正常走路機能。 對腳踏式下肢康復機器人工作空間進行了分析， 提出了腳踏式下肢康復機器人的總體方案，介紹 機器人控制系統(tǒng)。 運用 繪圖 軟件對機器人主體結(jié)構(gòu)進行 構(gòu)件 設(shè)計 , 闡述了機器人工作原理。分析現(xiàn)有的下肢康復機 器人技術(shù)特點，闡明了本腳踏式下肢康復機器人 的技術(shù)優(yōu)點。根據(jù)機械設(shè)計和機械原理基礎(chǔ)知識 為整個下肢康復機器人 結(jié)構(gòu)設(shè)計 提供了理論依據(jù)。
2、 3 4 1. 康復理論 康復機器人是一種特殊的機器人，它的受用對 象的病人，所以在進行下肢康復機器人研究時必須 了解康復醫(yī)學知識，懂得運動康復機理。本文對下 肢康復機器人治療原理進行了分析。 2. 機器人總體設(shè)計 根據(jù)腳踏式下肢康復機器人的工作空間以及模 擬正常人步態(tài)軌跡研究和設(shè)計了機器人總體結(jié)構(gòu)。 3.機器人機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 5 建立了機器人主體機構(gòu)模型并說明其工作原 理及其創(chuàng)新點 ,同時對機器人主要零部件、主要 連接機構(gòu)、主要傳動進行了 說明 。 4.機器人控制系統(tǒng)研制 分析了康復控制策略 ,確立了集中控制的控 制方式 ,完成了總體 控制平臺的搭建。 2.1下肢結(jié)構(gòu)模型 6 人體下肢運動關(guān)節(jié)
3、主要包括 髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)，各關(guān) 節(jié)運動關(guān)系如圖所示 ，通過三個 主要運動特性的比較可知，各關(guān) 節(jié)的共同運動為屈、伸運動。 通過對下肢各關(guān)節(jié)運動特性 分析，可以建立下肢的簡單剛體 模型。 2.2步態(tài)分析 7 一個步態(tài)周期包括支撐期和擺動期，一側(cè)足跟著地期為支 撐，離地期為擺動期。 支撐期站一個步態(tài)周期的 60%，擺動期 占一個步態(tài)周期的 40%，其中單側(cè)肢體支撐期占 40%，雙側(cè)肢 體支撐期占 20%。 2.3下肢康復機器人總體設(shè)計 8 2.2下肢康復機器人總體設(shè)計 下肢康復機器人是幫助下肢運動障礙患者進行運動機能恢 復性訓練 ,盡可能模擬正常人，使患者下肢的運動功能得到鍛 煉和恢復。
4、首先，下肢康復機器人應該具有合理的結(jié)構(gòu) ,滿足機器人空 間設(shè)計要求。 其次，下肢康復機器人應該具有足夠的安全性。結(jié)構(gòu)上 ,患 者的下肢運動空間不能與牽引機構(gòu)的運動空間發(fā)生干涉 ,同時 運動機構(gòu)不能對對患者下肢產(chǎn)生過大的牽引力。最后 ,下肢康 復機器人屬于醫(yī)療設(shè)備范疇 ,應該無噪聲、無污染、外觀漂亮 , 以利于患者更好的康復訓練。 2.4下肢康復機器人的性能指標 1.承載能力應達到 85kg; 2.占地應小于 1平米 3.能康復下肢髖、膝、踝關(guān)節(jié) ,具有 6自由度 （ F=3n (2PL +Ph ) n:活動構(gòu)件數(shù)， PL：低副約 束數(shù) Ph:高副約束數(shù) ） 4.能近似模擬正常人行走步態(tài)軌跡和腳
5、步位姿 ; 5.能進行主被動訓練 6.具有可移動性 ; 7.最高訓練次數(shù)可到 60次 /每分鐘 ; 8.訓練器工作時噪音小、無明顯震動 2.5 康復機器人總體方案 11 腳踏式下肢康復機器人的總體方案由機器人本體和控制部分 組成 。 機器人本體 :包括步態(tài)機構(gòu)、左腳踝姿態(tài)機構(gòu)、右腳踝姿態(tài)機 構(gòu)和支撐機構(gòu) ,兩姿態(tài)機構(gòu)位于步態(tài)機構(gòu)兩側(cè) ,對稱布置 ,支撐機 構(gòu)用于定位放置步態(tài)機構(gòu)、姿態(tài)機構(gòu)和控制平臺 ; 控制部分 :完成機器人各執(zhí)行機構(gòu)的控制功能和機器人狀態(tài)的 檢測 ,同時實現(xiàn)人機界面交互 ,控制機器人速度 ,機器人狀態(tài)顯示 等功能。 腳踏式下肢康復機器人的總體方案由機器人本體和控制部分 組成
6、。 機器人本體 包括步態(tài)機構(gòu)、左腳踝姿態(tài)機構(gòu)、右腳踝姿態(tài)機 構(gòu)和支撐機構(gòu) 兩姿態(tài)機構(gòu)位于步態(tài)機構(gòu)兩側(cè) 對稱布置 支撐機 構(gòu)用于定位放置步態(tài)機構(gòu)、姿態(tài)機構(gòu)和控制平臺 控制部分 完成機器人各執(zhí)行機構(gòu)的控制功能和機器人狀態(tài)的 檢測 同時實現(xiàn)人機界面交互 控制機器人速度 機器人狀態(tài)顯示 等功能。 12 整個下肢康復機器人是根據(jù)人體處于坐姿時膝關(guān)節(jié) 和腳踝關(guān)節(jié)屈伸運動時的運動原理，設(shè)計一個可以實現(xiàn) 患者下肢六個關(guān)節(jié)的康復訓練機構(gòu)。步態(tài)機構(gòu)實現(xiàn)整個 下肢的運動 ,姿態(tài)機構(gòu)實現(xiàn)下肢踝關(guān)節(jié)的位姿運動。 通過功率驅(qū)動電路 ,來驅(qū)動控制步態(tài)機構(gòu)和姿態(tài)機構(gòu) 的兩個電機 ,從而達到驅(qū)動控制下肢康復機器人的目的。 選用
7、電動機驅(qū)動的驅(qū)動方式。步態(tài)電機和姿態(tài)電機都采 用伺服電機，伺服驅(qū)動器總是與其對應的同等功率的伺服電 機一起配套使用。通過脈沖輸入接口來接受從上位控制器發(fā) 來的脈沖序列，進行速度和位置的控制，通過數(shù)字量接口信 號來完成驅(qū)動器運行的控制和實時狀態(tài)的輸出 。 14 2.6機械部分總體結(jié)構(gòu) 它由大電機 1、小電機 2、磁粉制動器 3、底座 4、座架 5、把手 6、操作臺 7、箱體 8、連桿 9、同步帶傳動機構(gòu) 10、踏板 11組成。 2.7 系統(tǒng)控制部分 所述控制系統(tǒng)獨立 于 機器人的機械結(jié)構(gòu)，通過數(shù)據(jù)線與機 器人本體連接在一起， 并 進行康復訓練控制，包括硬件和軟件 ， 所述硬件部分包括計算機和與其
8、數(shù)據(jù)線分別連接的顯示器， 多 軸 運動控制 卡 ，驅(qū)動器、位置傳感器和力傳感器 ， 所述位置傳 感器有四個，分別集成在四個直流 伺服 力矩電機 力 矩電機內(nèi)， 通過數(shù)據(jù)線輸出 膝關(guān)節(jié) 和膝關(guān)節(jié)的運動信息 ， 所述力傳感器有 四個 ， 分別安裝在所述左、右大腿機構(gòu)和左、右小是機構(gòu)的柔 性連接帶中，用于通過數(shù)據(jù)線輸出患者 下 肢與機器人之間的干 涉力 。 所述軟件包括用戶模塊 、 實時控制模塊和康復 效果評價 模塊。 總結(jié) 首先根據(jù)人體參數(shù)和步態(tài)軌跡對下肢康復機器人工 作空間進行了分析 ,然后根據(jù)康復機器人總體設(shè)計要求 設(shè)計了總體方案 ,步態(tài)機構(gòu)實現(xiàn)整個下肢的運動 ,姿態(tài)機 構(gòu)實現(xiàn)下肢踝關(guān)節(jié)的位姿
9、運動。最后設(shè)計出腳踏式下 肢康復機器人總體結(jié)構(gòu)。 參考文獻 1李軍強 ,王娟 ,趙海文 ,等 .下肢康復訓練機器人關(guān)鍵技術(shù)分析 J.機械設(shè)計與制造 ,2013(9):220-223. 2郭素梅 ,李建民 ,吳慶文 ,等 .Lokomat全自動機器人步態(tài)訓練 與評定系統(tǒng)的應用 J.中國醫(yī)療設(shè)備 ,2011,26(3):94-96. 3馬素慧 ,劉丹 ,郝正偉 ,等 .Lokomat康復訓練機器人對腦卒中 患者下肢運動功能恢復的影響 J.山東醫(yī)藥 ,2012,52:52-54 4劉軍凱 ,孫寧 ,黃美發(fā) .下肢康復訓練機器人步態(tài)運動機構(gòu)設(shè)計 J.機械設(shè)計與研究 ,2006,22(5):59-62.
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