穿戴式機械腿機構(gòu)設計【下肢康復機器人】

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穿戴式下肢康復裝置的設計 莫佳佳，邱毅瑞，陳達仁 1.機械工程與力學學院，寧波大學，818號，順化路，寧波，315211，中國浙江省。 2.機械工程學院，臺灣大學，1號，第4羅斯福路，臺北，臺灣，10617,achiuyijui@nbu.edu.cn，bdzchen@ntu.edu.tw。 關鍵詞：下肢關節(jié)；康復；肌電圖 摘要：我們提出了一種下肢康復裝置來幫助受損的人恢復腿的能力。該裝置由鏈接和彈簧組成，它的特點如下：（1）它是半被動和以家庭為基礎的，使腦卒中患者受自己的控制進行下肢體運動；（2）它結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，但它有類似的性質(zhì)用于其他治療機器人上；（3）動態(tài)平衡訓練器和肌電圖（EMG）進行BIODEX分析。結(jié)果表明，股直肌，股外側(cè)肌和股內(nèi)側(cè)肌的訓練對恢復非常好。. 1.介紹 在中國，那些患有神經(jīng)損傷的人，像輕偏癱中風和一百萬一年以上的交通事故。老年人和病人可能發(fā)生的肌肉無力或癱瘓，這往往限制他們大量的運動并對他們的日常生活帶來不好的影響。這些設備出現(xiàn)，就是為了幫助他們恢復肌肉強度和康復步態(tài)。 第一個MIT-MAUNS?【1】康復機器人應運而生，2012年，許多類型的治療設備已被陳【2】等聰慧的研究者意識到。并設計出“半被動”戴的康復設備，這設備的彈簧裝在腦卒中患者上，使他們進行上肢控制運動訓練。然而，矯形器的下肢是典型的動力。在本文中，我們提出了一個“半被動”穿戴式下肢康復裝置，該裝置可以用來協(xié)助腿受損的人恢復腿的能力。 在文獻中，已經(jīng)有很多的方法能計算出重力?？祻蜋C，包括配重，彈簧和輔助平行四邊形【3-5】。彈簧附件的選擇已被證明能夠平衡重量的下肢康復裝置，這典型運動人體的關節(jié)力矩可以分解為重力轉(zhuǎn)矩，慣性力矩和肌肉依從轉(zhuǎn)矩【6】。亞當斯仿真軟件的研究實驗方法，并探討當穿戴下，人體下肢肌肉康復裝置的影響。Biodex，Biopac和肌電圖都是用來獲取關節(jié)力矩和肌肉電活動的設備。 2.下肢的運動學模型 2.1設計 可穿戴式下肢康復裝置，如下圖所示,它是由木板組件和復位彈簧裝置組成。復位彈簧裝置連接木板和木板組件，組件包括大腿和小腿木板。一個腰帶是用在大腿上的木板，其長度可調(diào)，是為了防止軸向和縱向移動。彈簧的恢復裝置還包括兩個滑塊，它們是第一滑塊和第二滑塊。大腿板第一導軌與第一滑塊與小腿板第二導軌與第二滑動對比。有三個彈簧安裝裝置。第一彈簧套在腰帶和腿板之間，第二彈簧放置固定軸和小牛板之間。彈簧的作用是將滑塊間的引力勢能的彈性勢能彈簧做康復運動。第三個彈簧固定大腿和小腿之間的木板，可以連接大腿與小腿板。 圖1是可穿戴式下肢康復裝置 圖1 2.2。運動學模型 一個右下肢運動學和坐標系統(tǒng)示意圖如下。下肢包括兩個環(huán)節(jié)，大腿和小腿，大腿是從臀部到膝蓋的區(qū)域HK，小膝踝A?K是半被動式外骨骼部分，卸髖關節(jié)和膝關節(jié)在重力的運動范圍內(nèi)，大腿和小腿的中心被假定固定，始終位于機器MT和MC 之間，在任何瞬時。上下肢的運動可分為兩運動：臀部分量θ1，θ2，膝關節(jié)彎曲分量X1，X2。 圖2 圖2是一個右下肢的運動學和坐標系統(tǒng)圖 髖關節(jié)相當于一個三自由度球形關節(jié)，而膝關節(jié)建模只允許屈伸關節(jié)單自由度。在本文中，我們只需要考慮髖關節(jié)屈曲-伸展膝關節(jié)，因為他們的結(jié)合是最重要的運動下肢。一種康復裝置示意圖如下圖所示。下肢結(jié)合外骨骼可以建模為一二連接串行連接。根據(jù)前面所述，我們在設備的適當位置添加彈簧和滑塊，以使系統(tǒng)重力平衡。這用于下肢康復裝置的彈簧裝置是共面的。 圖3，相應的勢能圖 系統(tǒng)的潛在能量，由重力勢能，彈性潛在能量和質(zhì)量潛在能量組成。與人腳的質(zhì)量比較時，大腿和小腿是相對小的重力勢能，這兩者是微不足道的。因此，較低的重力勢能的四肢是 在M?t與Mc之間，右大腿和右小腿數(shù)量最多，Rhm是距離髖關節(jié)Mt中心的質(zhì)量，rRmc是膝關節(jié)MC中心的質(zhì)量, 相應的彈性勢能的V1,V2,V3,彈簧模量K1,K2,K3，可以推導出 K1，K2，K3是三個彈簧的彈性模量，Lhb，Lcd，Lce是三個彈簧的長度，大腿木板潛在能量是Vm1，木板潛在能量是Vm2，第一滑塊潛在能量是Vm3和第二滑塊潛在能量是Vm4，可以推導出公式： 根據(jù)（2）到（8），我們獲得了總的潛在能量 因此，腿會加入這三個所提到的潛在能量，并在重力平衡以上。 3。數(shù)值結(jié)果 建立了隨著下肢外骨骼運動學模型下肢。在這本文，我們利用亞當斯模擬Biodex獲得髖關節(jié)力矩。Biopac和肌電圖（EMG）是被用來獲得肌肉電活動的設備。下肢肌肉有四個部分，股直肌，股中間肌，股外側(cè)肌和股內(nèi)側(cè)肌。然而，由于股中間肌深度，信號就被可靠地通過，使用表面肌電圖記錄。因此，對于其他三個肌肉的肌電圖收集。在這個實驗中，一個健康的年輕成年人參與評測，其測量參數(shù)在表1中列出該裝置的數(shù)量，這種裝置的功能相當于一個沙袋綁在大腿上，提出了用沙袋練習的方法。他的右下肢從初始狀態(tài)下，大腿和小腿是在垂直位置。我們稱這種運動為“抬腿”運動。范圍從0度擴展到90度。 表1。對男性下肢人體測量學參數(shù) 主觀方面 人體測量學 參數(shù) 水分 70厘米 大腿長度 48厘米 髖關節(jié)膝關節(jié)長度 44厘米 大腿電路 63厘米 膝CIR 43厘米 大腿寬 22厘米 膝寬 10厘米 黑色的線顯示在圖4上，它顯示出髖關節(jié)的扭矩，從實驗“抬腿”運動與B（1.81公斤）重沙袋，而當B權電阻連接到下肢外骨骼時，紅色是關節(jié)力矩通過ADMAS仿真。圖4顯示時 大腿與地面平行，關節(jié)力矩達到峰值的15000?n-mm，實驗結(jié)果大約在16000?n-mm，其超過模擬量。 圖4髖關節(jié)屈曲-伸展的男性受試者關節(jié)力矩 圖5顯示一個男性的肌肉的肌電圖（a）是股直?。唬╞）是股外側(cè)??；（c）是股內(nèi)側(cè)肌。在“抬腿”運動狀態(tài)下，所有三個肌肉被訓練時，股直肌是最活躍的。股外側(cè)肌和股內(nèi)側(cè)肌相對溫和，但表現(xiàn)出有兩個明顯的峰高度的一致性現(xiàn)象。 所有的肌肉沒有活性，到達時間是8秒。圖5是一個男性的肌肉的肌電圖，（a）是股直肌；（b）是股外側(cè)?。唬╟）是股內(nèi)側(cè) 4。結(jié)論 下肢矯形器的介紹，旨在幫助步行的人。當穿戴該裝置，我們使用亞當斯仿真軟件，人體下肢的肌肉和關節(jié)力矩實驗限制方法來探討影響。它表明，股直肌，股外側(cè)肌和股內(nèi)側(cè)肌下肢康復肌肉訓練非常好，我們相信這種矯形器康復裝置可能非常適用于一個潛在的肌肉無力或癱瘓患者，所有的研究工作是在浙江省新興藝術家（新廟）基金會的撥款20128405025號的資助下進行的，基礎教育部：第y201119372號；下批準號：2012a610077。 工具書類 【1】H.I. Krebs, N. Hogan, M.L. Aisen, B.T. Volpe，機器人輔助神經(jīng)康復，IEEE跨康復工程，vo1.6（1），（1998）第75-87頁。 【2】 邱毅瑞，陳達仁?，可穿戴式上肢矯形器訓練設計康復致動器，力學和材料卷。201-202（2012）第864-870頁。 【3】S.K.Agrawal, G. Gardner, S. Pledgie，重力平衡平面設計制作輔助的平行四邊形機構(gòu)設計，ASME，123卷（4）（2001），第525-528頁。 【4】G.J. Walsh, D.A. Streit, B. J. Gilmore，空間彈簧平衡理論，機械機器理論26 (2)（1991），第155-170頁。 【5】 D.A. STREIT，E. Shin，平衡機的平面連桿機構(gòu)設計卷11（3）（1993），第604-610頁。 【6】Agrawal，banala，A. Fattah， Sangwan，Krishnamoorthy，J.P.?Scholz，W.L. Hsu，IEEE跨神經(jīng)系統(tǒng)與康復工程，第15（3）（2007），第410-420頁。 蔣璞 穿戴式機械腿機構(gòu)設計 揚州大學廣陵學院 畢業(yè)設計（論文）前期工作材料 學 生 姓 名： 蔣璞 學號： 100007117 教 科 部： 機 械 電 子 系 專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化 設計（論文）題目： 穿戴式機械腿機構(gòu)設計 指 導 老 師： 周 建 華 材 料 目 錄 序號 名 稱 數(shù)量 備注 1 畢業(yè)設計（論文）選題、審題表 1 2 畢業(yè)設計（論文）任務書 1 3 畢業(yè)設計（論文）實習調(diào)研報告 1 4 畢業(yè)設計（論文）開題報告（含文獻綜述） 1 5 畢業(yè)設計（論文）外文資料翻譯（含原文） 1 6 畢業(yè)設計（論文）中期檢查表 1 2014 年 4月 9日 揚州大學廣陵學院本科生畢業(yè)設計（論文）題目申報表 設計（論文）題　目 穿戴式機械腿機構(gòu)設計 題目類型 1 題目來源 A 面向?qū)I(yè) 機械設計制造 及其自動化 指導教師 周建華 職稱 副教授 學位 博士 從事專業(yè) 機械，計算機行業(yè) 題目簡介： 現(xiàn)代機器人所具有的機械動力裝置使得機器人可以輕易地完成很多艱苦的任務，比如舉起、搬運沉重的負載等。雖然現(xiàn)代機器人控制技術有了長足的發(fā)展，還遠達不到人的智力水平，包括決策能力和對環(huán)境的感知能力。與此同時，人類所具有的智能是任何生物和機械裝置所無法比擬的，人所能完成的任務不受人的智能的約束，而僅受人的體能的限制。因此，將人的智能與機器人所具有的強大的機械能量結(jié)合起來，綜合為一個系統(tǒng)，將會帶來前所未有的變化，這便是穿戴式機器人的設計思想。 審核意見： 審核人簽名： 年 月 日 題目類型－－1、為結(jié)合科研；2、為結(jié)合生產(chǎn)實際；3、為結(jié)合大學生科研訓練計劃；　 4、為結(jié)合學科競賽；5、模擬仿真；6、其它 題目來源－－A.指導教師出題 ； B.學生自定、自擬； 揚州大學廣陵學院畢業(yè)設計（論文）任務書 教 科 部： 機 械 電 子 系 專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化 學生姓名: 蔣璞 學號: 100007117 畢業(yè)（論文）題目： 穿戴式機械腿機構(gòu)設計 起 迄 日 期： 2014.2.22-2014.6.6 設計（論文）地點： 揚州大學江陽路南校區(qū) 指 導 老 師： 周 建 華 專 業(yè) 負 責 人： 發(fā)任務書日期： 2014年 4月9 日 揚州大學廣陵學院本科生畢業(yè)論文任務書 論文題目 穿戴式機械腿機構(gòu)設計 年級 大四 專業(yè) 機械設計制造 及其自動化 學生姓名 蔣璞 學號 100007117 主要內(nèi)容： 1. 具有較好的機械設計理論基礎，能熟練掌握二維和三維的制圖軟件，具有比較強的獨立研究和探索能力，具有較強的主動溝通意識。 2. 穿戴式機械腿機構(gòu)設計,完整的機械設計過程及其說明； 3. 完成二維或者三維的設計圖紙繪制； 4.查閱文獻15篇以上，翻譯不少于5000印刷符的英文資料； 5.撰寫開題報告：包括工作任務分析、調(diào)研報告或文獻綜述、方案擬定與分析以及實施計劃等； 6.撰寫畢業(yè)論文，篇幅不少于1萬字。 主要任務及基本要求（包括指定的參考資料）： 主要任務及基本要求： 1、撰寫開題報告：包括工作任務分析、調(diào)研報告或文獻綜述、方案擬定與分析 以及實施計劃等； 2、查閱文獻14篇以上，翻譯不少于5000印刷符的英文資料； 3、熟練運用二維三維繪圖軟件； 4、撰寫畢業(yè)論文，篇幅不少于1萬字。 主要參考文獻： 【1】李研彪，劉毅，李景敏，計時鳴，趙章風，新型擬人機械腿的參數(shù)優(yōu)化， 2013. 09. 【2】計時鳴，劉毅，李研彪，李景敏，一種新型擬人機械腿的運動傳遞性能分析，1001-4551(2012)10-1125-05 【3】伊蕾，助行康復機器人控制策略研究，2012,04 【4】鄧楚慧，穿戴式下肢康復機器人機構(gòu)分析及優(yōu)化設計，2012,6.10 【5】劉毅，一種新型擬人機械腿的性能研究，2012,12 【6】尹軍茂，穿戴式下肢外骨骼機構(gòu)分析與設計，2010，05 【7】趙豫玉，穿戴式下肢康復機器人的研究，2009,03 【8】王志鵬，郭險峰，穿戴式下肢外骨骼康復機器人機械設計，1672-3791 【9】余聯(lián)慶，吳昌林，馬世平，基于仿生研究的步行機緩沖型腿機構(gòu)設計，1671-512( 2005) 06-0105-03 【10】金振林，曲夢可，六足步行機器人的并聯(lián)機械腿設計，10. 3788/OPE. 20122007. 1532 【11】金振林，曲夢可，三自由度并聯(lián)機械腿靜力學分析與優(yōu)化，1002-6811 【12】孫恒 陳作模 葛文杰. 機械原理 西北工業(yè)大學機械原理及機械零件教研室編，第七版，高等教育出版社，2006.5 【13】濮良貴 紀名剛.機械設計 西北工業(yè)大學機械原理及機械零件教研 編，第八版，高等教育出版社，2006.5 【14】周建方等.材料力學 機械工業(yè)出版社，普通高等教育機電類規(guī)劃教材，2002.1 【15】機械制圖 大連理工大學工程圖學教研室編，第六版，高等教育出版社，2007.7 發(fā)出任務書日期： 2014年2月22日　　　　　　完成期限：2014年4月9日 指導教師簽名：　　　　　　　　　　　　　　專業(yè)主任簽名： 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　年　　月　　日 揚州大學廣陵學院 畢業(yè)設計（論文）實習調(diào)研報告 學 生 姓 名： 蔣璞 學號： 100007117 專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化 指 導 老 師： 周 建 華 揚州大學廣陵學院 畢業(yè)設計(論文)開題報告 學 生 姓 名： 蔣璞 學 號：100007117 專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化 設計(論文)題目： 穿戴式機械腿機構(gòu)設計 指 導 老 師： 周 建 華 2014年 4 月 9 日 揚州大學廣陵學院本科生畢業(yè)設計（論文）開題報告 設計（論文）題　目 穿戴式機械腿機構(gòu)設計 題目來源 指導老師出題 題目類型 為結(jié)合科研 指導教師 周建華 學生姓名 蔣璞 學 號 100007117 專 業(yè) 機械設計制造及其自動化 開題報告內(nèi)容：（調(diào)研資料的準備與總結(jié)，研究目的、要求、思路與預期成果；任務完成的階段、 內(nèi)容及時間安排；完成畢業(yè)設計（論文）所具備的條件因素等。） 本畢業(yè)設計（論文）課題應達到的目的： （1）培養(yǎng)學生的調(diào)查研究以及資料、信息的獲取、分析等綜合能力； （2）培養(yǎng)學生的工程設計能力，主要包括設計、計算及繪圖能力； （3）培養(yǎng)學生的綜合運用專業(yè)理論知識，分析解決實際問題的能力； （4）培養(yǎng)學生的在設計過程中使用計算機的能力； （5）培養(yǎng)學生的撰寫設計說明書、論文的能力； （6）培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力和創(chuàng)新精神。 本畢業(yè)設計（論文）課題工作進度計劃： 起止日期 工 作 內(nèi) 容 2014-02-22~2014-03-31 2014-04-1～2014-05-30 2014-06-01～2014-06-07 畢業(yè)設計開始，查閱中外文資料，完成外文翻譯，完成實習調(diào)研和實習報告，完成開題報告； 進行畢業(yè)設計，接收畢業(yè)設計中期檢查，根據(jù)設計要求，進行機械結(jié)構(gòu)原理設計和結(jié)構(gòu)設計，撰寫畢業(yè)設計論文； 修改完善畢業(yè)論文、準備畢業(yè)答辯、整理畢業(yè)設計期間的所有資料、成果并歸檔。 　 文 獻 綜 述 一、課題研究的內(nèi)容及意義 穿戴式智能設備”是應用穿戴式技術對日常穿戴進行智能化設計、開發(fā)出可以穿戴的設備的總稱，如Ekso Bionics機械腿，鞋等。 機械腿的研究是步行機器人研究的核心內(nèi)容。步行機器人是一個交叉學科的研究，它涉及仿生學、機械學、控制學及信息處理技術等。步行機器人在多個行業(yè)具有很多應用優(yōu)勢，逐漸成為國內(nèi)外機器人研究領域的一個熱點。步行機器人與其他履帶式、輪式機器人相比，具有以下的運動特性。 (1)步行機器人具有良好的地面自適應性 步行機器人可以在復雜的地形上利用離散的點來選擇最優(yōu)的地面支撐點，并且可以跨越一定的障礙物。 (2）步行機器人的腿部運動系統(tǒng)比較穩(wěn)定 步行機器人的腿部運動系統(tǒng)可以保證身體相對地面的穩(wěn)定，因其腿部具有多個自由度，靈活性大，同時可以通過調(diào)節(jié)腿的伸展度來調(diào)整重心，因此不易翻倒，穩(wěn)定性高。 仿人機器人作為步行機器人的一種形式，是提高機器人機動性和節(jié)省能源的一條重要途徑。仿人機器人是機器人研究領域最高研究成果的代表。相對于其他機器人，仿人機器人具有人的外形，并具備良好的人機交互能力，所以在娛樂服務等領域，仿人機 器人具有更明顯的優(yōu)勢。 仿人步行機器人具有諸多的優(yōu)勢，使其成為日前研究的熱點。為使機器人腿部能協(xié)調(diào)而穩(wěn)定的運動，機械結(jié)構(gòu)設計和控制系統(tǒng)算法的研究都比較復雜，使其研究充滿挑戰(zhàn)。 二、課題國內(nèi)外現(xiàn)狀 1.國外研究現(xiàn)狀 2000年，德國自由大學Hesse Stefen等人研制了一種下肢康復訓練機器人MGT 。 2001年，德國弗朗霍費爾研究所(Franhofer Institut IPK)基于吊線木偶原理，研制了一種繩驅(qū)動式下肢康復訓練機器人Stringman，配合踏步車使用。 Ekso Bionics，是一款可穿戴的、通過電池供電的仿生機械腿，將之穿在身上后，它可以提供必要的支撐力，讓人重新站立。而且整套系統(tǒng)還采用了仿生設計，以內(nèi)置電動馬達為動力，當人們把它穿在身上，就能重新獲得行走的能力！ Ekso Bionics圖 2.國內(nèi)研究現(xiàn)狀 在下肢機器人方面，國內(nèi)研究起步較晚，取得的成果也不多。目前的研究機構(gòu)主要有上海大學、浙江大學、哈爾濱工業(yè)大學和哈爾濱工程大學等。具有代表性的是:哈爾濱工程大學開發(fā)的輔助型下肢康復訓練機器人和浙江大學開發(fā)的可穿戴式的下肢步行外骨骼。從2004年，中科院合肥智能機械研究所也開始從事相關的研究工作。 2002年，哈爾濱工程大學機電一體化研究所研制出了一種下肢康復訓練機器人樣，如圖1-16所示，該機器人由三自由度步態(tài)機構(gòu)、姿態(tài)機構(gòu)和重心平衡機構(gòu)等組成。其優(yōu)點是可實現(xiàn)腳的姿態(tài)調(diào)整，在機器人的遠程控制技術、虛擬現(xiàn)實技術及減重控制策略方面進行了實驗或仿真研究，后續(xù)研制并開發(fā)了可與該機器人配合使用的四自由度繩索牽引骨盆運動并聯(lián)康復機器人。 2006年，上海大學機電工程與自動化學院也研究了一套可穿戴式助力機械腿，如圖1-17所示。單側(cè)下肢有兩個自由度，分別為骸關節(jié)屈/伸和膝關節(jié)屈/伸。 2007年，哈爾濱工程大學機電一體化實驗室的研究小組研制了被動式步態(tài)康復訓練器。2009年，該研究小組又提出了步態(tài)訓練機器，機器人可控制雙足矢狀面內(nèi)六自由度的運動，具有承載能力強，步幅、步態(tài)、足底姿態(tài)可靈活調(diào)整等優(yōu)點。通過不同的軌跡規(guī)劃，機器人能夠模擬上、下樓梯，平地行走等步態(tài)動作。利用柔順控制等多種控制策略，可模擬沙地、草地等多種路況的行走。實驗研究表明，該機器人可實現(xiàn)多種步態(tài)的控制，且具有較好的訓練效果。 三.發(fā)展的趨勢 2006年《中國人口老齡化發(fā)展趨勢預測研究報告》表明，到2023年，我國老年人口將達到2.7億，與0-14歲少兒人口數(shù)量相等。而到2051年，中國老年人口規(guī)模將達到峰值4.37億，約為少兒人口數(shù)量的2倍。針對我國人口老齡化的口益嚴重、腦卒中患者數(shù)量多、治療醫(yī)師資源缺乏的情況，開發(fā)一種可以為偏癱、截癱等肢體殘疾人員及體弱老年人提供康復訓練和助行服務的機器人，對降低老年人跌倒的比例、幫助偏癱患者樹立重新行走的信心、提高老年人獨立生活的質(zhì)量減輕社會負擔具有重要的研究意義。同時，機器人輔助設備可以極大的降低康復師的工作量，促進患者的主動參與，可以客觀的評價康復訓練的強度、時間和效果，使康復治療更加系統(tǒng)化和規(guī)范化。 穿戴式機械腿應用于醫(yī)療上越來越多，幫助殘疾人站起來。 盡管目前己經(jīng)開發(fā)出了多種助行康復機器人，但機器人在機械結(jié)構(gòu)精巧、人機協(xié)調(diào)、自動適應用戶的行為、工作延續(xù)性、提高用戶的舒適度等方面還遠遠達不到實際應用的要求。同時，由于目前的康復訓練機器人運用于臨床康復的訓練方案、訓練的評價方法等還處于摸索階段，機器人技術完全應用于臨床康復訓練還需要深入、系統(tǒng)的研究和探索。因此，對機器人進行改良，開展與其它臨床康復方法的有機結(jié)合以提高其臨床康復效果，擴展其治療手段是非常有必要的。 綜上所述，研究助行康復機器人技術，使其滿足康復訓練、輔助行走、節(jié)省能耗、攜帶方便等需要，并且更加符合人體生理習慣，令使用者步態(tài)更自然，提高老年人的生活質(zhì)量，減輕社會負擔，使其真正服務于需要的人，有著重要的意義。 四.存在的問題 近年來，關于外骨骼機構(gòu)的人一機運動相容性設計問題開始得到研究者的關注，一些研究者對上肢外骨骼機構(gòu)的運動相容性進行了分析，并基于人機工程學原理對上肢外骨骼機構(gòu)的運動學設計方法進行了研究。但是對下肢康復機器人機構(gòu)的人一機相容性問題以及影響人一機相容性的因素方面研究較少，主要問題如下。 (l)人一機聯(lián)接模式對人一機相容性的影響現(xiàn)有下肢康復機器人中，人一機之間采直接綁縛或通過穿戴具以緊致穿戴的形式相聯(lián)接，缺乏有關人一機聯(lián)接模式和約束性質(zhì)的深入研究，更未分析聯(lián)接模式對人一機運動相容性的影響。 (2)機構(gòu)構(gòu)型對人一機相容性的影響現(xiàn)有的下肢康復機器人機構(gòu)的骸關節(jié)多采用單自由度回轉(zhuǎn)副或由2個回轉(zhuǎn)副進行運動等效，膝關節(jié)為單自由度回轉(zhuǎn)副，機構(gòu)的尺度參數(shù)根據(jù)下肢骨胳的比例和長度確定。優(yōu)點是機器人機構(gòu)的構(gòu)型相對簡潔且機構(gòu)的設計簡便易行。但機器人機構(gòu)的關節(jié)數(shù)目少于下肢骨骼的關節(jié)數(shù)目，而且對應關節(jié)的運動屬性也有所不同，構(gòu)型的選取會直接影響人一機之間的運動相容性。 (3)機構(gòu)參數(shù)優(yōu)化對人一機相容性的影響由于下肢康復機器人機構(gòu)與人體骨骼機構(gòu)在關節(jié)數(shù)目、關節(jié)運動特性上的差異以及機器人機構(gòu)的外掛屬性，若機器人機構(gòu)參數(shù)或聯(lián)接參數(shù)設計不夠合理，也會導致人一機運動不相容，在聯(lián)接部位發(fā)生運動干涉與沖突。 此外，在機構(gòu)設計中，材料選擇、結(jié)構(gòu)美觀和機構(gòu)可調(diào)性等也是研究的重要問題。 本課題要研究或解決的問題和擬采用的研究手段（途徑） 1.研究或解決的5大問題 (1)可穿戴性要好:下肢外骨骼康復機器人要有良好的可穿戴性經(jīng)過簡單的訓練即可非常容易順利快速地穿脫。 (2)可調(diào)節(jié)性要強:下肢外骨骼康復機器人面向的患者群體年齡跨度大，外骨骼應能適應各種身高體重的患者，因此其在長度及寬度方向都應能調(diào)節(jié)以適應不同患者穿戴。 (3)結(jié)構(gòu)要輕巧:外骨骼機器人應盡量輕巧、簡便方便穿戴和驅(qū)動，節(jié)省能源。 (4)相互干擾性要小:盡量減小人與外骨骼的直接接觸面，減小人機相互干擾，從而減小對人體各方面的限制。 (5)柔順、舒適性要好:下肢外骨骼機器人的運動與人體下肢的運動要具有很好的協(xié)調(diào)性。其結(jié)構(gòu)、自由度的配置要與人體結(jié)構(gòu)與自由度相匹配。使穿戴著感覺柔順自然。 2.研究手段 （1）弄清楚穿戴式機械腿機構(gòu)特點 1穿戴式機械腿的結(jié)構(gòu)布局特點 機械腿通過三個電機驅(qū)動，實現(xiàn)膝關節(jié)和踝關節(jié)的運動，類似于人體膝關節(jié)和踝關節(jié)的結(jié)構(gòu)特點，其驅(qū)動裝置安放在固定件的位置上。該機構(gòu)的運動桿件不必承載驅(qū)動電機的重量，減少了電機數(shù)量，這種擬人機械腿具有結(jié)構(gòu)簡單、承載能力強、運動慣性小、運動靈活等優(yōu)點，克服了傳動系統(tǒng)復雜、動態(tài)特性差等缺點。 這種穿戴式機械腿的結(jié)構(gòu)布局特點如下:①三個直線移動副P1、P2和P3相互平行;②三個直線移動副P1、P2和P3均安裝在基座上;③當桿FO2垂直于而MNO2、平行于桿FO1，且各移動副輸入均為零時，這種膝關節(jié)和躁關節(jié)機構(gòu)處于初始位姿。移動副P1、P2和P3的初始長度分別為Lio （i=1,2,3),}Z分別為各直線移動副的輸入位移。建立兩個坐標系:靜坐標系R(O1X1Y1Z1)、動坐標系S(O2X2Y2Z2)，如圖1所示，點O2為這種機構(gòu)的參考點。 圖1 （2）穿戴式機械腿設計方案 1. 基于機械腿的參數(shù)優(yōu)化結(jié)果，同時考慮加工與裝配工藝性，給出一種擬人機械腿的設計方案，如圖2(a)所示，這種擬人機械腿與球而三自由度并聯(lián)機構(gòu)(作為擬人骸關節(jié)機構(gòu)原型)串聯(lián)在一起，構(gòu)成擬人下肢的設計方案，如圖2(b)所示。這種擬人機械腿機構(gòu)的膝關節(jié)和踝關節(jié)采用4- DOF欠驅(qū)動機構(gòu)為機構(gòu)原型，通過三個電機實現(xiàn)膝關節(jié)和踝關節(jié)的運動方式，電機等固定件靠近腰部附近，減小電機等固定件產(chǎn)生的力矩，增加腿部的承載能力，減小運動慣性，發(fā)揮并聯(lián)機構(gòu)的優(yōu)點，同時，這種新型擬人下肢可實現(xiàn)任何步態(tài)狀況，具有主動控制步態(tài)的優(yōu)點。因此，這種新型擬人下肢具有結(jié)構(gòu)簡單、承載能力強、運動慣性小、運動穩(wěn)定等優(yōu)點。 圖2（a） 圖2（b） （3）機械腿結(jié)構(gòu)的優(yōu)化 按照機構(gòu)原理圖的設計圖想，其中較難設計的部分為膝關節(jié)所在支鏈的平面四桿機構(gòu)而如果完全按原理圖的設計，將轉(zhuǎn)動副F.通過個單獨的桿件與基座固連，那么機械腿顯得不夠緊湊和靈巧。在傳動副F點的固定問題上可以去掉桿件IF,將傳動副F直接表示 圖3 圖4 圖5 為機架固連，圖3，那么再設計傳動副F只要固連任何與機架相連的地方即可，圖3為了使機械腿的結(jié)構(gòu)史緊湊，將圖3中的AIFJ支鏈翻轉(zhuǎn)180度.再將點J上的桿件固連到點E 上，如圖4所示，這樣I改動不改變原有的工作原理。移動副采用滾珠絲桿實現(xiàn)，根據(jù)改進的機構(gòu)簡圖，設計了如圖5所小的膝關口聽在支鏈結(jié)構(gòu)設計，扣將轉(zhuǎn)動副F固定絲杠導軌的基座上，而該基座與機械腿的靜平臺基座固連，這樣使得擬人機械腿結(jié)構(gòu)緊湊，同時減輕重量。 （4）加入胡克鉸結(jié)構(gòu) 胡克鉸（圖6）在并聯(lián)機構(gòu)中使用傾率很高，而該結(jié)構(gòu)的設計直接彩響了整個并聯(lián)機構(gòu)的性能。因為在研究機構(gòu)的工作空間時，在考慮約束的影響中，胡克鉸兩個方向的轉(zhuǎn)動范圍是一個重要因素。對這個擬人機械腿機構(gòu)，沒有桿件之間的干涉，胡克鉸的性能對這個機構(gòu)性能(工作空間)起了決定性的作用。 圖6 （5）裝配體結(jié)構(gòu) 對三條運動支鏈進行合理布局，避免桿件發(fā)生運動干涉，同時根據(jù)裝配工藝要求設計運動支鏈與動、靜平臺的連接方一式。 擬人機械腿的裝配體結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。三條運動支鏈通過上、下平臺連接在一起，并通過板件對其加固。電機固定上平臺上，上平臺上與關節(jié)相連。下平臺設計為腳底板，直接與地面接觸。 圖7 （6）機械腿的方案最終實現(xiàn)簡圖 圖8 揚州大學廣陵學院畢業(yè)設計（論文）外文資料翻譯 教 科 部： 機 械 電 子 系 專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化 姓 名： 蔣 璞 學 號： 100007117 外 文 出 處： Design of wearable lower limb （用外文寫） rehabilitation device 附 件： 指導老師評語 簽名： 年 月 日 揚州大學廣陵學院本科生畢業(yè)設計（論文）中期自查表 （中期教學檢查用） 學生姓名 蔣璞 學號 100007117 專業(yè) 機械設計制造及其自動化 班級 機械81001班 指導教師 周建華 職 稱 副教授 設計（論文）題　　目 穿戴式機械腿機構(gòu)設計 個人精力 實際投入 每天平均工作時　間 6小時 迄今缺席天數(shù) 無 出勤率% 100% 指導教師每周指導次數(shù) 2 每周指導時間（小時） 2 未指導的周次及原因 無 畢業(yè)設計（論文）工作進度（完成）內(nèi)容及比重 已完成主要內(nèi)容（　30　%） 待完成主要內(nèi)容（　70　%） 進展正常 存在問題及解決方案 指導教師意見：　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　指導教師簽名： 　 　　　　　 年 月 日 揚州大學廣陵學院本科生畢業(yè)設計（論文）指導教師審閱意見表 設計（論文）題目 穿戴式機械腿機構(gòu)設計 學生姓名 蔣璞 專業(yè) 機械設計制造及其自動化 班級 機械81001班 指導教師姓名 周建華 職稱 副教授 得分 指導教師審閱意見： 指導教師簽名： 年 月 日 揚州大學廣陵學院本科生畢業(yè)設計（論文）評閱人意見表 設計（論文）題目 穿戴式機械腿機構(gòu)設計 學生姓名 蔣璞 專業(yè) 機械設計制造及其自動化 班級 機械81001班 評閱人姓名 職稱 得分 評閱人意見： 評閱人簽名： 年 月 日 揚州大學廣陵學院本科生畢業(yè)設計（論文）答辯結(jié)果表 設計（論文）題目 穿戴式機械腿機構(gòu)設計 學生姓名 蔣璞 專業(yè) 機械設計制造及其自動化 班級 機械81001班 答辯記錄： 答辯小組意見： 得 分 組長簽名 日 期 答辯委員會意見： 指導教師評　　分 評閱人評　分 答辯小組得　　分 結(jié)構(gòu)分 最終成績 主任簽章 日 期 24 揚州大學廣陵學院 本科生畢業(yè)論文 畢業(yè)設計題目 穿戴式機械腿機構(gòu)設計 學 生 姓 名 蔣璞 專 業(yè) 機械設計制造及其自動化 班 級 機械81001班 指 導 教 師 周建華 完 成 日 期 2014年 5 月 30 日 中文摘要 本論文研究穿戴式機械腿機構(gòu)。穿戴式機械腿是一種典型的人機一體化系統(tǒng)，該機構(gòu)是一種穿戴于人體腿部幫助有下肢乏力的患者進行康復治療的機械結(jié)構(gòu)。本文在人-機相容性方面做了詳細的分析，使本機構(gòu)在較好的穿戴位形下依靠人體的運動信息控制穿戴式機器人，在運動過程中提高人機步態(tài)的一致性，達到更好的康復治療的目的。 論文分析了國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，了解了國內(nèi)外相關研究的背景情況、研究進展和未來的發(fā)展問題，總結(jié)了下肢康復機器人研究中還存在的問題，進而確定了本文的主要研究內(nèi)容及所需解決的關鍵問題。 本文確定了下肢康復機器人機構(gòu)的自由度，對機構(gòu)進行了關節(jié)布位，通過自由度的分析對人-機聯(lián)接模式和約束性質(zhì)進行了研究，從而確定了骨骼-機構(gòu)聯(lián)體模型。在人體骨骼模型的基礎上，提出了一種機構(gòu)構(gòu)型方案。對人-機相容性進行了定義，分析了人-機相容性的影響因素。在此基礎上分別對人體下肢骨骼模型和這種機構(gòu)構(gòu)型進行了三維模型設計。 關鍵詞:康復機器人,人-機相容性,機構(gòu)設計 Abstract This study discusses lower extremity rehabilitative robot. The lower extremity rehabilitative robot is a typical man-machine integrated system; it is worn on the body of a limb to help patients with physical disabilities rehabilitation of mechanical devices. In this paper, man-machine compatibility has done more analysis and with well wearing this equipment to rely on the human body configuration under the control of lower extremity rehabilitative robot motion information. It improves the consistency rehabilitation of human gait in the course of the campaign to achieve better purposes. This paper analyzes the research situation and has a research about the background of relevant research at home and abroad, progress of research and future development. Lower extremity rehabilitation robot research summarized the problems still exist, and then this article determines the main contents, and the key issues need to be resolved. This paper has identified the DOF of lower extremity rehabilitative robot and the joint distribution of digital agencies. Through the analysis in freedom this article do the research on the human-machine connection mode and the nature binding. Two programs of mechanism are proposed based on the bone一body conjoined model. The study defines the compatibility of human-machine and analyzes the compatibility factors of human-machine. On this basis, the human skeleton model and the configuration of the two agencies are conducted by the three-dimensional model design respectively. Keywords: rehabilitative robotics, man-machine compatibility, mechanism design III