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蔣璞 穿戴式機(jī)械腿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 第一章 緒論 1.1研究背景 我國已經(jīng)進(jìn)入老齡化社會(huì)，老齡化問題逐漸得到關(guān)注?！?009年度中國老齡事業(yè)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》稱，2009年我國60歲及以上老年人口己達(dá)到1.6714億，占總?cè)丝诘?2.5%;到2015年我國60歲及以上老年人口將達(dá)到2.16億，約占總?cè)丝诘?6.7%。在老齡人群中有大量的腦血管疾病或者神經(jīng)系統(tǒng)疾病患者，其中以腦卒中患者居多，而這類患者多數(shù)會(huì)留下偏癱等癥狀。另外，近十年來我國各類交通運(yùn)輸工具的保有量迅速增長，因交通事故造成身體損傷的人數(shù)每年超過30萬人。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國目前有8296萬殘疾人，有康復(fù)需求的接近5000萬，每年因車禍、疾病等原因新增的殘疾人數(shù)量達(dá)100多萬。醫(yī)學(xué)理論和臨床醫(yī)學(xué)證明，這類患者除了早期的手術(shù)治療和必要的藥物治療外，正確的、科學(xué)的康復(fù)訓(xùn)練對(duì)于肢體運(yùn)動(dòng)功能的恢復(fù)和提高起到非常重要的作用。 由于腦的可塑性，醫(yī)學(xué)上通常是通過重復(fù)的、特定任務(wù)的訓(xùn)練讓患者進(jìn)行足夠的重復(fù)性活動(dòng)，從而使重組中的大腦皮質(zhì)通過深刻的體驗(yàn)來學(xué)習(xí)和儲(chǔ)存正確的運(yùn)動(dòng)模式。減重活動(dòng)平板步行訓(xùn)練的治療方法就是基于上述原理對(duì)患者進(jìn)行訓(xùn)練并且取得了良好的臨床效果，成為下肢康復(fù)醫(yī)療采用的主要方法。訓(xùn)練采用懸吊式減重器和活動(dòng)平板(醫(yī)用跑步機(jī))配合工作來協(xié)助患者完成步行動(dòng)作。其懸吊裝置可以不同程度地減少患者上身體重對(duì)下肢的負(fù)荷，患者在康復(fù)治療師的幫助下借助于運(yùn)動(dòng)平板進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。訓(xùn)練過程中一般需要兩名治療師相互協(xié)調(diào)，一名治療師在患者側(cè)面幫助并促進(jìn)患者側(cè)下肢擺動(dòng)，確定腳跟先著地，防止出現(xiàn)膝關(guān)節(jié)過伸，保證兩腿站立時(shí)間與步長對(duì)稱;另一名治療師站在患者身后，促進(jìn)重心轉(zhuǎn)移至負(fù)重腿上，保證骸屈伸、骨盆旋轉(zhuǎn)和軀干直立。減重步行訓(xùn)練可以獲得較為理想的肢體功能恢復(fù)效果，但是這種治療師對(duì)患者“手把手”式的訓(xùn)練方式存在一些問題。 首先，一名患者需要兩名治療師進(jìn)行運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練，效率低下，并且由于治療師自身的原因，可能無法保證患者得到足夠的訓(xùn)練強(qiáng)度，而且治療效果會(huì)受到治療師自身經(jīng)驗(yàn)和水平的影響。 其次，不能精確控制和記錄訓(xùn)練參數(shù)(運(yùn)動(dòng)速度、軌跡、強(qiáng)度等)，不利于治療方案的確定和改進(jìn);不能記錄描述康復(fù)進(jìn)程的各種數(shù)據(jù)，康復(fù)評(píng)價(jià)指標(biāo)不夠客觀;無法建立訓(xùn)練參數(shù)和康復(fù)指標(biāo)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，不利于對(duì)患者神經(jīng)康復(fù)規(guī)律進(jìn)行深入研究。 再有，不能向患者提供實(shí)時(shí)直觀的反饋信息，訓(xùn)練過程缺乏吸引力，患者多為被動(dòng)接受治療，參與治療的主動(dòng)性不夠。 可以看出，單純依靠治療師進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，無疑會(huì)制約康復(fù)訓(xùn)練效率的提高和方法的改進(jìn)。因此，開拓更加廣泛的康復(fù)訓(xùn)練手段和進(jìn)一步提高康復(fù)效率是解決患者運(yùn)動(dòng)功能障礙的當(dāng)務(wù)之急。而突破這個(gè)問題的關(guān)鍵在于科學(xué)技術(shù)的創(chuàng)新，下肢康復(fù)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展和運(yùn)用解決了這個(gè)問題。首先，機(jī)器人不存在“疲倦”的問題，能夠滿足不同患者對(duì)訓(xùn)練強(qiáng)度的要求;其次，機(jī)器人可以將治療師從繁重的訓(xùn)練任務(wù)中解放出來，而專注于制定治療方案、分析訓(xùn)練數(shù)據(jù)、優(yōu)化訓(xùn)練內(nèi)容并改進(jìn)機(jī)器人的功能;再次，機(jī)器人可以客觀記錄訓(xùn)練過程中患者患肢的位置、方向、速度以及肌力恢復(fù)狀態(tài)等客觀數(shù)據(jù)，供治療師分析，以評(píng)價(jià)治療效果;更進(jìn)一步，機(jī)器人所記錄下的詳細(xì)數(shù)據(jù)，使得治療師有可能從中發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)與治療結(jié)果之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而有可能深入了解中樞神經(jīng)康復(fù)的規(guī)律;還有，使用機(jī)器人技術(shù)可以通過多媒體技術(shù)為患者提供豐富多彩的訓(xùn)練內(nèi)容，使患者能夠積極參與治療，樹立康復(fù)信心，并及時(shí)得到治療效果的反饋信息;最后，機(jī)器人治療技術(shù)使得遠(yuǎn)程治療和集中治療(一名治療師同時(shí)為幾名患者提供指導(dǎo))成為可能，通過將成熟的產(chǎn)品推廣應(yīng)用，最終使所有的患者受益。 1.2下肢康復(fù)機(jī)器人概況 康復(fù)機(jī)器人是康復(fù)醫(yī)學(xué)和機(jī)器人技術(shù)的完美結(jié)合，人們不再把機(jī)器人當(dāng)作輔 助患者的工具，而是把機(jī)器人和計(jì)算機(jī)當(dāng)作提高臨床康復(fù)效率的新型治療工具。 下肢康復(fù)機(jī)器人是目前康復(fù)機(jī)器人研究領(lǐng)域的一個(gè)主要研究對(duì)象。它主要用 于輔助患有腦血管疾病或神經(jīng)系統(tǒng)疾病的患者進(jìn)行下肢的康復(fù)訓(xùn)練，幫助他們重 獲步行能力。它可以在專業(yè)的醫(yī)療機(jī)構(gòu)甚至在家中使用，使患者獲得更強(qiáng)的獨(dú)立 生活能力，并能相當(dāng)大的提高他們的生活質(zhì)量。在過去的幾年中，下肢康復(fù)機(jī)器 人在世界各國己經(jīng)有了很大的發(fā)展并取得了相當(dāng)多的成果，一些企業(yè)在其技術(shù)開 發(fā)及投資方面有了很大的投入，下肢康復(fù)機(jī)器人技術(shù)正在向產(chǎn)業(yè)化和普及化發(fā)展。 1.2.1康復(fù)機(jī)器人研究歷史 第一次嘗試把為殘疾人服務(wù)的機(jī)器人系統(tǒng)產(chǎn)品化是在20世紀(jì)的60年代到 70年代，實(shí)踐證明這些嘗試都失敗了。失效原因主要有2個(gè)方面:其一是設(shè)計(jì) 的不理想，尤其是人機(jī)接口;另一個(gè)不是技術(shù)的原因，而是因?yàn)閱蝺r(jià)太高導(dǎo)致了 康復(fù)機(jī)器人產(chǎn)品化的失敗。 20世紀(jì)80年代是康復(fù)機(jī)器人研究的起步階段，美國、荷蘭和瑞士在康復(fù)機(jī) 器人方面的研究處于世界領(lǐng)先地位。90年代以來，全世界己有超過20所大學(xué)的 實(shí)驗(yàn)室及康復(fù)醫(yī)療機(jī)構(gòu)相繼開展了基于機(jī)電結(jié)合機(jī)器人技術(shù)的下肢康復(fù)訓(xùn)練系 統(tǒng)的研制和實(shí)驗(yàn)研究工作。 首先在機(jī)械手方面取得了一定的成就。1993年，Lum P. S.等研制了一種稱作“手-物體-手”的系統(tǒng)(hand-object-hand system），如圖1-1左圖，用來對(duì)一只手功能受損的患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。這種雙手物理治療輔助機(jī)器包括兩個(gè)置于桌面上可繞轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的夾板狀手柄，其中一個(gè)手柄下端連接在驅(qū)動(dòng)電機(jī)上，電機(jī)可以輔助患者完成動(dòng)作。 1995年，Lum P. S.等又研制了一種雙手上舉的康復(fù)器(bimanual lifting rehabilitator），如圖1-1右圖，用來訓(xùn)練患者用雙手將物體舉起這一動(dòng)作。該設(shè)備為兩自由度連桿結(jié)構(gòu)，當(dāng)患者雙手握住手柄將其舉起時(shí)，設(shè)備既可測(cè)量被舉物體的垂直位置及傾斜角度參數(shù)，也可以在左手(患側(cè)手)無法產(chǎn)生足夠大的力時(shí) 予以輔助，機(jī)器所施加的力可以按患者的需要改變，從而保持上舉動(dòng)作的平衡。 圖1-1 手-物體-手訓(xùn)練系統(tǒng) 目前康復(fù)機(jī)器人技術(shù)有了較大的發(fā)展，從技術(shù)上能夠較好地滿足各種殘障人 士和老年人的需要，但是在實(shí)用能力上還需要進(jìn)一步完善和提高。 1.2.2下肢康復(fù)機(jī)器人分類 （1)牽引型下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人系統(tǒng)主要由減重裝置和數(shù)個(gè)牽引機(jī)器人組成，機(jī)器人操作端分別與患肢的膝、踩部柔性連接?？祻?fù)訓(xùn)練的過程是患者經(jīng)吊帶減重后，由機(jī)器人牽引患肢的連接部位按預(yù)期的操作端軌跡進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練運(yùn)動(dòng)。典型的牽引型下肢康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)有美國Health-S outh公司研制的Auto-Ambulato:系統(tǒng)和美國加州大學(xué)洛杉磯分校研制的ARMS系統(tǒng)等，其中Auto-Ambulator系統(tǒng)的牽引機(jī)器人數(shù)目為2個(gè)，ARMS系統(tǒng)的牽引機(jī)器人數(shù)目為 4個(gè)。牽引型下肢康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)可根據(jù)康復(fù)訓(xùn)練需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行重組，并具有 牽引運(yùn)動(dòng)形式多樣、對(duì)患肢的適應(yīng)性較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但其機(jī)械及控制系統(tǒng)的組成相 對(duì)復(fù)雜，國內(nèi)未見有相關(guān)研究的報(bào)導(dǎo)。 （2)運(yùn)動(dòng)踏板型下肢康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)主要由減重裝置和一對(duì)運(yùn)動(dòng)踏板組成，康復(fù)訓(xùn)練的過程是患者經(jīng)吊帶減重后，雙足與運(yùn)動(dòng)踏板保持接觸，運(yùn)動(dòng)踏板根據(jù) 預(yù)先規(guī)劃的軌跡運(yùn)動(dòng)，在患者自重(體重與減重量差值)與運(yùn)動(dòng)踏板推力共同作 用下進(jìn)行患肢的康復(fù)訓(xùn)練運(yùn)動(dòng)。典型的運(yùn)動(dòng)踏板型康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)有德國Fraunhofer研究所與柏林自由大學(xué)研制的Haptic-Walker系統(tǒng)、Mechanized Gait Trainer系統(tǒng)和口本Tsukuba大學(xué)研制的Gait-Maste:系統(tǒng)等。其中，Haptic-Walker和Gait-Master為多自由度運(yùn)動(dòng)踏板訓(xùn)練系統(tǒng)，Mechanized Gait Traine:為單自由度(每個(gè)踏板)運(yùn)動(dòng)踏板訓(xùn)練系統(tǒng)。國內(nèi)從事運(yùn)動(dòng)踏板型康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)研究的機(jī)構(gòu)主要有清華大學(xué)和哈爾濱工程大學(xué)，并研制出具有單、多自由度的臥式及立式運(yùn)動(dòng)踏板訓(xùn)練系統(tǒng)。多自由度運(yùn)動(dòng)踏板訓(xùn)練系統(tǒng)對(duì)患肢不同的訓(xùn)練需求具有較強(qiáng)的適用性，可以模擬正常的下肢運(yùn)動(dòng)步態(tài)和腳踩運(yùn)動(dòng)位姿，還能夠根據(jù)訓(xùn)練需要靈活調(diào)整、設(shè)計(jì)踏板的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。 (3)穿戴型下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人系統(tǒng)由減重裝置、運(yùn)動(dòng)平板以及與支撐裝 置相連的穿戴型下肢康復(fù)機(jī)器人(外骨骼)組成?？祻?fù)訓(xùn)練的過程是患者穿戴下 肢康復(fù)機(jī)器人并經(jīng)吊帶減重后，機(jī)器人根據(jù)預(yù)先規(guī)劃的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和控制策略，導(dǎo) 引患者下肢協(xié)同運(yùn)動(dòng)進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。同時(shí)患者的雙足依次與運(yùn)動(dòng)平板相接觸，在 運(yùn)動(dòng)平板的帶動(dòng)下進(jìn)行踩關(guān)節(jié)的康復(fù)訓(xùn)練。穿戴型下肢康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)既能進(jìn)行 下肢的被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練，也可以對(duì)下肢進(jìn)行主動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練。對(duì)于手術(shù)恢復(fù)期后以及因偏癱導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)功能損傷嚴(yán)重的患者，可先經(jīng)吊帶減重后由下肢康復(fù)機(jī)器人導(dǎo)引患肢進(jìn)行被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練，逐步恢復(fù)患肢關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)功能和肌肉組織的伸展功能。當(dāng)患肢的運(yùn)動(dòng)功能恢復(fù)到一定程度后，根據(jù)功能恢復(fù)狀況可適當(dāng)降低下肢康復(fù)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)功率，由患肢與機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器共同承擔(dān)機(jī)器人機(jī)構(gòu)的負(fù)載并協(xié)同運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)患肢的主動(dòng)康復(fù)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練。 1.3下肢康復(fù)機(jī)器人的研究現(xiàn)狀 康復(fù)機(jī)器人技術(shù)在歐美等發(fā)達(dá)國家得到了科研工作者和醫(yī)療機(jī)構(gòu)的普遍重視，許多研究機(jī)構(gòu)都開展了有關(guān)的研究工作，近年來取得了一些有價(jià)值的成果。我國對(duì)康復(fù)機(jī)器人的研究起步比較晚，輔助型康復(fù)機(jī)器人的研究成果相對(duì)較多，康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人方面的研究成果則比較少。 1.3.1國外研究現(xiàn)狀 瑞士HOCOMA醫(yī)療器械公司與瑞士蘇黎士Balgrist醫(yī)學(xué)院康復(fù)中心合作推 出的LOKOMAT步行康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人是當(dāng)今產(chǎn)業(yè)化程度最高的一種面向下肢癱瘓患者的醫(yī)療康復(fù)器械。 LOKOMAT于1999年研制成功，2001年在漢諾威世界工業(yè)展覽會(huì)上展出，并在隨后的幾年中口臻完善并且己經(jīng)開始進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段。 LOKOMAT根據(jù)癱瘓患者康復(fù)訓(xùn)練的特點(diǎn)，將下肢外骨骼設(shè)計(jì)成骸關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)兩個(gè)自由度，分別由驅(qū)動(dòng)器控制直流伺服電機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。關(guān)節(jié)的角度、電機(jī)的輸出力矩、患者與外骨骼之間的接觸力均由相應(yīng)的傳感器進(jìn)行測(cè)量。整個(gè)LOKOMAT系統(tǒng)通過一個(gè)平行四邊形連桿機(jī)構(gòu)與跑步機(jī)及懸吊系統(tǒng)相連接，穩(wěn)固可靠。訓(xùn)練時(shí)，患者的下肢通過六個(gè)綁帶與LOKOMAT相連，最基本的被動(dòng)訓(xùn)練只需控制四個(gè)關(guān)節(jié)的角度和角速度，以帶動(dòng)患者模仿人體步行運(yùn)動(dòng)。為了適應(yīng)不同患者的需要，該機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)均可調(diào)整，如圖1-2所示。為了讓患者感到舒適，所有與患者接觸的綁帶都是寬而軟的。LOKOMAT的優(yōu)點(diǎn)是:①患者的訓(xùn)練狀態(tài)能夠被監(jiān)測(cè)、評(píng)價(jià)和引導(dǎo);②能夠根據(jù)患者個(gè)體不同提供相應(yīng)的步態(tài)模式和訓(xùn)練方案;③能夠通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為患者提供反饋以提高患者參與訓(xùn)練的主動(dòng)性。 圖1-2 LOKOMAT機(jī)械腿 LOPES(Lowerextremi typowered Exoskeleton)也是一套主動(dòng)醫(yī)療康復(fù)外骨骼， 如圖1-3所示。它的設(shè)計(jì)初衷與LOKOMAT一樣，是面向于下肢活動(dòng)能力受損 的心腦血管或神經(jīng)疾病患者。所不同的是，LOPES更加關(guān)注于所開發(fā)的機(jī)電系 統(tǒng)與患者的兼容性和患者穿戴外骨骼訓(xùn)練時(shí)的舒適性。當(dāng)然，對(duì)康復(fù)外骨骼的一 些常規(guī)要求，如:較大的帶寬、較高的定位精度、良好的結(jié)構(gòu)堅(jiān)固性等，也在LOPES中得到了相應(yīng)的體現(xiàn)。由于設(shè)計(jì)關(guān)注的方面不同，其驅(qū)動(dòng)方式也與LOKOMAT大相徑庭。LOPES采用繩纜拉線式的傳動(dòng)方式控制四個(gè)關(guān)節(jié)，并采用了一系列的彈性構(gòu)件組成了系統(tǒng)的力反饋環(huán)節(jié)。其獨(dú)特的驅(qū)動(dòng)方式，使得系統(tǒng)具有更加輕便的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)以及更為簡潔的外骨骼結(jié)構(gòu)，從而提高了效率。另外，出于舒適性的考慮，外骨骼也為患者提供了更多的關(guān)節(jié)自由度，包括:骸關(guān)節(jié)的屈、伸主動(dòng)自由度，膝關(guān)節(jié)的屈、伸主動(dòng)自由度，踩關(guān)節(jié)的外展、內(nèi)收被動(dòng)自由度，骨盆的上、下移動(dòng)被動(dòng)自由度。 圖1-3 LOPES機(jī)械腿 2001年，德國弗朗霍費(fèi)爾研究所(Franhofer Institut IPK)基于吊線木偶原理， 研制了一種繩驅(qū)動(dòng)式下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人Stringman，配合踏步車使用，如圖1-4 所示。 Stringman由自動(dòng)減重繩驅(qū)機(jī)構(gòu)和姿態(tài)控制機(jī)構(gòu)兩部分組成，共六個(gè)自由度。Stringman采用了復(fù)雜的控制結(jié)構(gòu)，包括多個(gè)控制環(huán)，具有龐大的傳感器系統(tǒng)，底層控制采用基于位置的魯棒力控制以及柔順控制。減重水平根據(jù)檢測(cè)到 的病人支撐腿的情況自動(dòng)調(diào)整。姿態(tài)和平衡控制基于零力矩點(diǎn)概念，通過控制繩 的張力控制zMp位置及足底反作用力。目前該機(jī)器人仍處于樣機(jī)研究階段。 圖 1-4 Stringman機(jī)械腿 圖1-5 Arthur機(jī)械腿 2002年，美國加利福尼亞大學(xué)David Reinkensmeyer等人研制了兩自由度 平面康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人ARTHUR，如圖1-5所示。該機(jī)器人采用V型機(jī)構(gòu)測(cè)量和 控制其頂點(diǎn)的位置，機(jī)構(gòu)頂點(diǎn)可與患者患側(cè)的腳踩或膝蓋連接，輔助患肢抬腳或 抬腿。與大多數(shù)機(jī)器人不同的是，ARTHUR具有高度的逆向可驅(qū)動(dòng)性。 日本研制了一種旋轉(zhuǎn)式下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人，如圖1-6所示。它采用一個(gè)大 的回轉(zhuǎn)臂通過束具與患者的軀干連接，支撐患者的部分體重，同時(shí)患者在回轉(zhuǎn)臂 的帶動(dòng)下沿圓周路線行走。該機(jī)器人的缺點(diǎn)是行走過程中機(jī)器人始終對(duì)患者附加 一個(gè)不同于正常行走的側(cè)向驅(qū)動(dòng)力，病人膝蓋會(huì)承受多余的剪切載荷。 針對(duì)口本回轉(zhuǎn)式步態(tài)訓(xùn)練機(jī)器人的缺點(diǎn)以及采用祛碼等傳統(tǒng)懸吊減重方式 存在的減重力變化的問題，Seungho Kim等人分別開發(fā)了氣壓和電氣驅(qū)動(dòng)的減重 移動(dòng)車式步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人(walking training robot)。該機(jī)器人由輪式移動(dòng)平臺(tái) 和恒力減重系統(tǒng)兩部分組成，輪式移動(dòng)平臺(tái)可工作在訓(xùn)練模式或者跟隨模式下。 訓(xùn)練模式中，由移動(dòng)平臺(tái)引導(dǎo)患者按照計(jì)算機(jī)或安裝于平臺(tái)上的操縱桿制定的路 徑行走，由移動(dòng)平臺(tái)跟蹤患者的運(yùn)動(dòng)方向和速度。針對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)和氣壓驅(qū)動(dòng)減重 系統(tǒng)分別設(shè)計(jì)了基于滑模力控制和采用模糊力控制的恒力減重控制系統(tǒng)。 圖1-6 旋轉(zhuǎn)式康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人 圖1-7 MaKiKawa 的機(jī)器人 日本的Makikawa實(shí)驗(yàn)室結(jié)合機(jī)器人技術(shù)、生物信號(hào)測(cè)量技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技 術(shù)研制出一種下肢康復(fù)機(jī)器人，如圖1-7所示。該機(jī)器人可以使病人模擬正常人 走路、上斜坡、爬樓梯、滑行等各種運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到康復(fù)鍛煉的目的。 圖1-8是美國芝加哥PT公司研發(fā)的平衡機(jī)器人。它的作用是幫助失去身體 平衡的人進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練的機(jī)器人，右圖是患者在側(cè)向移動(dòng)。這種康復(fù)機(jī)器人能夠 幫助人體平衡，而且對(duì)軀干受傷的人，或者行走失去平衡的人有非常好的效果。 它能夠迅速準(zhǔn)確地確定患者微小的動(dòng)作，從而幫助患者達(dá)到預(yù)想的動(dòng)作，這種康 復(fù)設(shè)備不會(huì)主動(dòng)地帶人行走。 圖1-8 芝加哥PT公司平衡機(jī)器人 AKROD (Active Knee Rehabilitation Device For Human)康復(fù)機(jī)器人是由美 到東北大學(xué)機(jī)電與機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的，如圖1-9所示。康復(fù)機(jī)器人在應(yīng)用上也 七過去更貼近普通人，現(xiàn)在這臺(tái)AKROD膝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人己經(jīng)在美國波士頓醫(yī) 完投入使用，對(duì)于膝關(guān)節(jié)由于撞擊受傷的患者尤其有效。 圖1-9 AKROD 康復(fù)機(jī)器人 1.3.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀 國內(nèi)在下肢機(jī)器人方面的研究起步較晚，所取得的成果也不多。目前的研究 機(jī)構(gòu)主要集中在上海大學(xué)、浙江大學(xué)和哈爾濱工程大學(xué)等。具有代表性的是，哈 爾濱工程大學(xué)開發(fā)的輔助型下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人和浙江大學(xué)開發(fā)的可穿戴式的 下肢步行外骨骼。自2004年開始，中科院合肥智能機(jī)械研究所開始從事這方面 的相關(guān)研究工作。 2002年，哈爾濱工程大學(xué)機(jī)電一體化研究所研制了一種下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器 人樣機(jī)如圖1-10所示。該機(jī)器人由三自由度步態(tài)機(jī)構(gòu)、姿態(tài)機(jī)構(gòu)和重心平衡機(jī)構(gòu)等組成。其優(yōu)點(diǎn)是可實(shí)現(xiàn)腳的姿態(tài)調(diào)整，在機(jī)器人的遠(yuǎn)程控制技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及減重控制策略方面進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)或仿真研究，后續(xù)研制并開發(fā)了可與該 機(jī)器人配合使用的四自由度繩索牽引骨盆運(yùn)動(dòng)并聯(lián)康復(fù)機(jī)器人。 圖1-10 下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人 圖1-11 助力機(jī)械腿 2006年，上海大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院也開始研究了一套可穿戴式助力機(jī)械腿單側(cè)下肢有兩個(gè)自由度，分別為骸關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的屈/伸自由度，這兩個(gè)自由度分別由電動(dòng)缸驅(qū)動(dòng)，單側(cè)下肢機(jī)構(gòu)如圖1-11所示。 浙江大學(xué)流體傳動(dòng)與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室也在這方面做了深入的研究，研究 設(shè)計(jì)了一套下肢康復(fù)醫(yī)療外骨骼，如圖1-12所示。這套系統(tǒng)具有骸關(guān)節(jié)和 關(guān)節(jié)兩個(gè)自由度，采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，并由獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行控制。并在此基 礎(chǔ)上開發(fā)了一套專用于此系統(tǒng)的虛擬儀器控制界面軟件。另外，專為系統(tǒng)制定開 發(fā)的兩套步態(tài)訓(xùn)練控制策略，即被動(dòng)步態(tài)訓(xùn)練位置控制和半主動(dòng)步態(tài)訓(xùn)練軌跡自 校正控制，可以滿足不同康復(fù)時(shí)期下肢步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練的不同要求。 圖1-12 伺服電動(dòng)驅(qū)動(dòng)的下肢康復(fù)醫(yī)療外骨骼 自2004年開始，中科院合肥智能機(jī)械研究所就開始從事這方面的相關(guān)研究 工作，如圖1-13所示。機(jī)器人采用了類人結(jié)構(gòu)，機(jī)構(gòu)單側(cè)共有五個(gè)自由度，分別是骸關(guān)節(jié)三個(gè)自由度，膝關(guān)節(jié)和踩關(guān)節(jié)各一個(gè)自由度。 圖1-13 可穿戴型助力機(jī)器人 盡管國內(nèi)在穿戴型下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人領(lǐng)域的研究起步相對(duì)較晚，但在機(jī)器 人系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究與試驗(yàn)樣機(jī)研制方面己經(jīng)取得比較多的成果。進(jìn)一步完善下肢康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)的性能，開展相關(guān)的康復(fù)訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)研究是今后研究工作的重要 內(nèi)容。 1.4下肢康復(fù)機(jī)器人研究存在的問題 （1）人-機(jī)聯(lián)接模式對(duì)人-機(jī)相容性的影響。現(xiàn)有下肢康復(fù)機(jī)器人中，人-機(jī)之間采用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(guān)人-機(jī)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(duì)人-機(jī)運(yùn)動(dòng)相容性的影響。因此，需要進(jìn)一步研究人-機(jī)之間的聯(lián)接模式及其約束特性，在機(jī)器人機(jī)構(gòu)的構(gòu)型設(shè)計(jì)中分析聯(lián)接模式的作用與影響，并以改善人-機(jī)運(yùn)動(dòng)相容性為前提對(duì)機(jī)器人機(jī)構(gòu)的構(gòu)型進(jìn)行綜合與優(yōu)選。 (2)機(jī)構(gòu)構(gòu)型對(duì)人-機(jī)相容性的影響?，F(xiàn)有的下肢康復(fù)機(jī)器人機(jī)構(gòu)的骸關(guān)節(jié) 多采用單自由度回轉(zhuǎn)副或由2個(gè)回轉(zhuǎn)副進(jìn)行運(yùn)動(dòng)等效，膝關(guān)節(jié)為單自由度回轉(zhuǎn)副， 機(jī)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(diǎn)是機(jī)器人機(jī)構(gòu)的構(gòu)型相對(duì) 簡潔且機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)簡便易行。但機(jī)器人機(jī)構(gòu)的關(guān)節(jié)數(shù)目少于下肢骨骼的關(guān)節(jié)數(shù)目， 而且對(duì)應(yīng)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)屬性也有所不同，構(gòu)型的選取會(huì)直接影響人-機(jī)之間的運(yùn)動(dòng) 相容性。因此，在對(duì)人體下肢骨骼的生理結(jié)構(gòu)、關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)特性以及康復(fù)機(jī)器人機(jī) 構(gòu)的外掛屬性進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合人-機(jī)系統(tǒng)的自由度分析提出較好的機(jī)構(gòu) 構(gòu)型。 (3)機(jī)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化對(duì)人-機(jī)相容性的影響。由于下肢康復(fù)機(jī)器人機(jī)構(gòu)與人體骨骼機(jī)構(gòu)在關(guān)節(jié)數(shù)目、關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)特性上的差異以及機(jī)器人機(jī)構(gòu)的外掛屬性，若機(jī)器人機(jī)構(gòu)參數(shù)或聯(lián)接參數(shù)設(shè)計(jì)不夠合理，也會(huì)導(dǎo)致人一機(jī)運(yùn)動(dòng)不相容，在聯(lián)接部位發(fā)生運(yùn)動(dòng)干涉與沖突。因此，在優(yōu)選機(jī)構(gòu)構(gòu)型的基礎(chǔ)上，需要進(jìn)一步研究基于運(yùn)動(dòng)相容性的機(jī)構(gòu)參數(shù)及聯(lián)接參數(shù)優(yōu)化方法，定義運(yùn)動(dòng)相容性評(píng)價(jià)指標(biāo)，構(gòu)造基于運(yùn)動(dòng)相容性的機(jī)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化模型并進(jìn)行參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。 此外，機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中輕便、美觀和機(jī)構(gòu)桿長的可調(diào)性也是研究的關(guān)鍵問題。 1.5課題意義及主要研究內(nèi)容 穿戴式智能設(shè)備”是應(yīng)用穿戴式技術(shù)對(duì)日常穿戴進(jìn)行智能化設(shè)計(jì)、開發(fā)出可以穿戴的設(shè)備的總稱，如圖1-14 Ekso Bionics機(jī)械腿，鞋等。 機(jī)械腿的研究是步行機(jī)器人研究的核心內(nèi)容。步行機(jī)器人是一個(gè)交叉學(xué)科的研究，它涉及仿生學(xué)、機(jī)械學(xué)、控制學(xué)及信息處理技術(shù)等。步行機(jī)器人在多個(gè)行業(yè)具有很多應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，逐漸成為國內(nèi)外機(jī)器人研究領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)。步行機(jī)器人與其他履帶式、輪式機(jī)器人相比，具有以下的運(yùn)動(dòng)特性。 (1)步行機(jī)器人具有良好的地面自適應(yīng)性 步行機(jī)器人可以在復(fù)雜的地形上利用離散的點(diǎn)來選擇最優(yōu)的地面支撐點(diǎn)，并且可以跨越一定的障礙物。 (2）步行機(jī)器人的腿部運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)比較穩(wěn)定 步行機(jī)器人的腿部運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)可以保證身體相對(duì)地面的穩(wěn)定，因其腿部具有多個(gè)自由度，靈活性大，同時(shí)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(jī)器人作為步行機(jī)器人的一種形式，是提高機(jī)器人機(jī)動(dòng)性和節(jié)省能源的一條重要途徑。仿人機(jī)器人是機(jī)器人研究領(lǐng)域最高研究成果的代表。相對(duì)于其他機(jī)器人，仿人機(jī)器人具有人的外形，并具備良好的人機(jī)交互能力，所以在娛樂服務(wù)等領(lǐng)域，仿人機(jī)器人具有更明顯的優(yōu)勢(shì)。 圖1-14 Ekso Bionics機(jī)械腿 第二章 穿戴式機(jī)械腿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析 2.1引言 機(jī)械腿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必然是一個(gè)挑戰(zhàn)。機(jī)械腿自身特點(diǎn)-穿戴性，決定了它需要更為合理的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接影響穿戴的舒適性。 機(jī)構(gòu)的功能設(shè)計(jì)要反映下肢骨骼的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)。人體生物骨骼的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)形式和步行的運(yùn)動(dòng)特征都是外骨骼設(shè)計(jì)的基本依據(jù)。通過分析人體骨骼模型和關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)建立人體簡化模型。通過分析步行特征初步掌握關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)規(guī)律。采用簡化模型分析人體運(yùn)動(dòng)學(xué)特性。通過這些特征的研究，合理設(shè)計(jì)出穿戴舒適、運(yùn)動(dòng)靈活可靠的外骨骼機(jī)構(gòu)，使其與人體運(yùn)動(dòng)達(dá)到協(xié)調(diào)統(tǒng)一。 無論機(jī)構(gòu)如何進(jìn)行空間構(gòu)型設(shè)計(jì)，都必須要穿著于人體的框架之上，并要求 保持機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)與人體形態(tài)的相互統(tǒng)一，滿足人體運(yùn)動(dòng)的空間需要。因而機(jī)構(gòu)構(gòu)型 的空間設(shè)計(jì)首先必須滿足人體骨骼的基本框架。因?yàn)槿梭w結(jié)構(gòu)的主架是骨骼，骨 骼具有不可變性，所以機(jī)構(gòu)在進(jìn)行構(gòu)型空間設(shè)計(jì)時(shí)，首先要考慮骨骼的形狀和位 置，這些是機(jī)構(gòu)構(gòu)型空間設(shè)計(jì)的不變因素。本章就以上問題進(jìn)行了深入討論。 2.2人體下肢骨骼模型 骨骼最基本機(jī)能是支撐和運(yùn)動(dòng)，而關(guān)節(jié)是骨與骨間的連接部分，決定著骨骼 運(yùn)動(dòng)鏈的運(yùn)動(dòng)形式。人體下肢的骨骼運(yùn)動(dòng)鏈?zhǔn)且孕D(zhuǎn)為主的串并聯(lián)混合結(jié)構(gòu)。人 體下肢骨骼運(yùn)動(dòng)包含了豐富的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)問題。建立下肢隨動(dòng)外骨骼機(jī)構(gòu)模型要 以生物骨骼運(yùn)動(dòng)模型為基礎(chǔ)。 2.3 骨骼的運(yùn)動(dòng)與下肢關(guān)節(jié) (1)下肢骨骼與關(guān)節(jié) 研究人體運(yùn)動(dòng)學(xué)，首先必須確立參考系。通常臨床醫(yī)學(xué)、體育學(xué)及人體運(yùn)動(dòng) 學(xué)研究使用三維坐標(biāo)系統(tǒng)如圖2-1所示:參考系包括三軸和三面:矢狀軸、冠狀 軸(額狀軸)、垂直軸;矢狀面、冠狀面(額狀面)和水平面(橫切面)。在該參考系下，通常把關(guān)節(jié)的基本運(yùn)動(dòng)形式分為屈曲/伸展、內(nèi)收/外展、回旋和環(huán)轉(zhuǎn)等。 圖2-1 人體基本平面及軸線 圖2-2 人體下肢骨骼與關(guān)節(jié) 如圖2-2所示，決定下肢運(yùn)動(dòng)狀況的主要關(guān)節(jié)包括:骸關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)，均屬于活動(dòng)關(guān)節(jié)。其次，腳部和踝部還包括一些不動(dòng)和少動(dòng)關(guān)節(jié)，也具有一定的調(diào)節(jié)功能。為簡化起見，外骨骼的設(shè)計(jì)不考慮這些關(guān)節(jié)。 骸關(guān)節(jié)是由一個(gè)球形股骨頭與凹形的骸臼組成的桿臼(球窩)式滑膜關(guān)節(jié)，是典型的三軸關(guān)節(jié)或稱多軸關(guān)節(jié)，具有3DOF，即可在三個(gè)相互垂直的運(yùn)動(dòng)軸上做屈伸、收展、旋轉(zhuǎn)等多方向的運(yùn)動(dòng)，是全身位置最深的關(guān)節(jié)，構(gòu)造既堅(jiān)固又靈活，將軀干的重量傳達(dá)至下肢，具有重要的負(fù)重和活動(dòng)功能。伸屈活動(dòng)時(shí)，股骨頭沿橫軸在骸臼內(nèi)旋轉(zhuǎn)，但大腿內(nèi)外旋轉(zhuǎn)時(shí)，是以股骨頭中心至股骨踝間凹連線作為其活動(dòng)的軸心。因此，股骨頭在骸臼內(nèi)還有極為微小的滑行。骸關(guān)節(jié)的活動(dòng)受到肌肉韌帶限制，其運(yùn)動(dòng)范圍如下:前屈130度到150度;后伸10度到15度;內(nèi)收20度30度;外展30度45度;外旋40度到50度;內(nèi)旋屈骸時(shí)為40度到45度。 膝關(guān)節(jié)由股骨下端、脛骨上端和骸骨構(gòu)成，是人體最大最復(fù)雜的關(guān)節(jié)，屬滑 車球狀關(guān)節(jié)，能做屈伸運(yùn)動(dòng)，屈可達(dá)130度，伸不超過10度。在屈膝狀態(tài)下又可作屈位微小的旋內(nèi)、旋外運(yùn)動(dòng)。在正常步行中，由于屈膝幅度不會(huì)很大，屈位微小，在一般的建模中，均忽略旋內(nèi)、旋外的微量運(yùn)動(dòng)以簡化設(shè)計(jì)。由于膝關(guān)節(jié)受到內(nèi)外交叉韌帶和脛側(cè)、胖側(cè)副韌帶的限制，不能外展、內(nèi)收。因此，膝關(guān)節(jié)簡化為單軸關(guān)節(jié)，具有1DOF，繞額狀軸在矢狀面上屈伸。 膝關(guān)節(jié)的生理結(jié)構(gòu)也是球狀關(guān)節(jié)，嚴(yán)格上屬于球副，只是由于膝關(guān)節(jié)韌帶繃 緊的原因，只能在矢狀面運(yùn)動(dòng)，如圖2-3所示。嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)表明，膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)是 矢狀面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)與滑移的復(fù)合。但由于滑移量非常小，因此不予考慮。 圖2-3膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu) 踝關(guān)節(jié)由脛骨遠(yuǎn)側(cè)端關(guān)節(jié)面，胖骨遠(yuǎn)側(cè)端關(guān)節(jié)面和距骨滑車關(guān)節(jié)面構(gòu)成，為 屈戌關(guān)節(jié)，運(yùn)動(dòng)軸在橫貫距骨體的橫軸上。踩關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的方式是由距骨體滑車關(guān) 節(jié)面的形狀所決定的，活動(dòng)范圍較小，能做足背屈、足庶屈和內(nèi)翻、外翻運(yùn)動(dòng)。 在矢狀面背屈10度到20度，蹈屈25度30度。蹈屈時(shí)還可有輕微的旋轉(zhuǎn)、內(nèi)收、 外展與側(cè)方運(yùn)動(dòng)。踝關(guān)節(jié)在矢狀面的屈伸運(yùn)動(dòng)軸由內(nèi)上向外下微傾，踝背伸時(shí)足 外旋，蹈屈時(shí)，足內(nèi)旋。旋轉(zhuǎn)范圍13度25度，踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)保證了足底支撐力向 腿部骨骼的傳遞，在行走、上下樓梯、登山及跳躍時(shí)均有重要作用。 值得注意的是，上述這些關(guān)節(jié)發(fā)生在任何一個(gè)平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)都必然伴隨著其 他兩個(gè)平面的運(yùn)動(dòng)，形成所謂的步行復(fù)合運(yùn)動(dòng)，這也是步行運(yùn)動(dòng)復(fù)雜性的體現(xiàn)， 是仿生下肢設(shè)計(jì)的難點(diǎn)問題。 (2)步行運(yùn)動(dòng)序列 一個(gè)完整的行走循環(huán)周期即為一個(gè)跨步，一個(gè)跨步包括了兩個(gè)步長。如圖 2-4所示，步行的一個(gè)跨步分為單相支撐期和雙相支撐期兩個(gè)階段。單腿支撐相 期間表現(xiàn)為一條腿接觸地面，另一條腿處于擺動(dòng)中，因此這一時(shí)期又被稱為某條 腿的擺動(dòng)相。它從一只腳離開地面開始到同只腳與地面發(fā)生碰撞結(jié)束。在人的步 行運(yùn)動(dòng)中，單腿支撐相占跨步時(shí)間的80%-90%。雙腿支撐相是兩條腿同時(shí)接觸 地面的時(shí)期，在人的步行運(yùn)動(dòng)中，這一狀態(tài)只占跨步周期的10%-20%。由圖2-4 可見，單相支撐期長而雙相支撐期較短。就單下肢腿而言，又分為支撐相和擺動(dòng) 相，如上所述，在單相支撐期，有一條腿占用一部分跨步時(shí)間和地面接觸，即為 支撐相，該腿為支撐腿，可以支撐身體以及改變前進(jìn)速度。同樣，另一條腿占用 一定的跨步時(shí)間向前擺動(dòng)，作為擺動(dòng)相，處于擺動(dòng)相的腿成為擺動(dòng)腿，這期間擺 動(dòng)腿離開地面向前擺動(dòng)至下一個(gè)支撐相。在一個(gè)跨步中左右腿均分別占有一個(gè)支撐相和一個(gè)擺動(dòng)相，但支撐相和擺動(dòng)相的時(shí)間一般不相同。因此兩腿運(yùn)動(dòng)的相互 關(guān)系常常是定義運(yùn)動(dòng)模式的一個(gè)因素。例如，跑動(dòng)中左右腿的運(yùn)動(dòng)就是完全不同 步的，而跳躍中兩腿的運(yùn)動(dòng)就完全是同步的。 圖2-4 單腿步行運(yùn)動(dòng)序列及狀態(tài)劃分 從力學(xué)特性來看，當(dāng)人在行走時(shí)，通過后腳對(duì)地面的作用而獲得地面對(duì)人的 推力，從而產(chǎn)生向前的加速度。當(dāng)人的前腳著地的時(shí)候，地面對(duì)人的作用是阻礙 其向前運(yùn)動(dòng)的，因此，會(huì)使人產(chǎn)生負(fù)的加速度，即人做減速運(yùn)動(dòng)。人在不斷地邁 步前進(jìn)的過程中，推力在做周期性的變化，加速度也就做周期性的變化。隨著重心的前移，最終完成向前跨步動(dòng)作。 步行中相關(guān)運(yùn)動(dòng)參考點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡是描述步行運(yùn)動(dòng)的又一指標(biāo)。關(guān)節(jié)點(diǎn)的軌 跡曲線是行走的時(shí)間序列上捕獲相關(guān)參考點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)位置，在離散位置點(diǎn)插值或擬 合而成的參考點(diǎn)運(yùn)動(dòng)曲線。 人體下肢的運(yùn)動(dòng)主要運(yùn)動(dòng)是矢狀面內(nèi)的屈/伸運(yùn)動(dòng)，圖2-5所示為單腿的骸關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的矢狀面軌跡曲線。仿真環(huán)境下直觀的連續(xù)獲取圖像觀察得到的主要參考點(diǎn)的矢狀面軌跡 。腳掌的運(yùn)動(dòng)及踝關(guān)節(jié)在支撐狀態(tài)矢狀面的軌跡如圖2-6所示。 圖2-5 單腿運(yùn)動(dòng)演示運(yùn)動(dòng)軌跡圖 圖2-6 腳掌運(yùn)動(dòng)及踝關(guān)節(jié)軌跡 己知關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)角度變化數(shù)據(jù)，根據(jù)人體運(yùn)動(dòng)的實(shí)際情況研究各個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn)的 運(yùn)動(dòng)軌跡也可以采用解析求解方法。 (3)各關(guān)節(jié)在步行運(yùn)動(dòng)中的功能分析 根據(jù)上述分析知，下肢各關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍大小各不相同，同時(shí)決定了各個(gè)關(guān)節(jié) 在步行運(yùn)動(dòng)中的功能有所不同。 圖2-7為理想直行的運(yùn)動(dòng)序列模型。步行中，矢狀面的3個(gè)屈伸運(yùn)動(dòng)自由度 是前行的最主要運(yùn)動(dòng)。理想直線行走的過程中，骸關(guān)節(jié)額狀面收展運(yùn)動(dòng)較小，主要調(diào)節(jié)單相支撐時(shí)身體左右兩側(cè)的重心平衡，水平面旋內(nèi)、旋外自由度主要控制 運(yùn)動(dòng)方向的改變，調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)平衡并影響步幅大小。身體的一個(gè)跨步中，骸關(guān)節(jié)側(cè) 轉(zhuǎn)實(shí)質(zhì)上是由兩個(gè)球窩關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)和兩條腿的步態(tài)相位差來完成。在跨步過程 中，骸關(guān)節(jié)內(nèi)外旋運(yùn)動(dòng)使軀干水平面內(nèi)兩側(cè)骸關(guān)節(jié)前后傾斜，重心前移。 圖2-7 下肢骨骼步行運(yùn)動(dòng)模型 膝關(guān)節(jié)做屈伸運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)直接影響跨步長，同時(shí)，在慣性矩作用下調(diào)節(jié)矢狀 面的運(yùn)動(dòng)平衡。 踝關(guān)節(jié)屈伸用于調(diào)節(jié)人體相對(duì)于地面的受力點(diǎn)，以此控制步行起停與支撐狀 態(tài)的平衡，而收展和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)主要調(diào)節(jié)支撐狀態(tài)下的受力平衡。 第三章 穿戴式機(jī)械腿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.1穿戴式機(jī)械腿設(shè)計(jì) 外骨骼連桿尺寸的確定要依據(jù)穿戴者的骨骼關(guān)節(jié)尺寸設(shè)計(jì)。根據(jù)前面章節(jié)的論述，人體的各個(gè)部位長度之間的相對(duì)比例是基本固定的。按圖2-11 b)，人的總身高為H，則骸關(guān)節(jié)中心距為0.191H,骸關(guān)節(jié)與地面的距離為0.530H，膝關(guān)節(jié)至地面為0.285H，而踩關(guān)節(jié)至地面為0.039H。由此可以得到各個(gè)關(guān)節(jié)之間的相對(duì)長度，即大腿長為0.245H，小腿長為0.246H，腳底距踩關(guān)節(jié)中心為0.039H o在構(gòu)型設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了身高兼容性，在較大范圍內(nèi)具有適應(yīng)性，所以連桿尺寸要可調(diào)整。例如大多數(shù)人身高在155-185cm之間，因此其大腿、小腿連桿長度變化范圍各應(yīng)允許10厘米左右的可調(diào)整范圍。 3.1.1三維模型設(shè)計(jì) 此模型有14個(gè)旋轉(zhuǎn)副，單下肢各7個(gè)，骸部關(guān)節(jié)有收展、屈伸和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)3DOF，膝關(guān)節(jié)1DOF，腳踩關(guān)節(jié)有相互正交的屈伸、收展和旋轉(zhuǎn)3DOF。另外大腿位置設(shè)計(jì)了凸輪滑槽與滑移副機(jī)構(gòu)。模型整體裝配圖及模型腿部如圖3-1示及3-2所示。 圖3-1 模型整體裝配圖 兩條機(jī)械腿可以擺動(dòng)，可以完成一個(gè)步行序列，擺動(dòng)最大角度可為45度，保證人正常行走，并且表面打光滑，沒有什么毛糙部分，這樣既美觀又安全，使人能夠舒適穿戴此機(jī)械腿。 圖3-2 模型腿部 腿部模型包括大小腿，3個(gè)關(guān)節(jié)型，開孔是為了調(diào)整長度，因?yàn)槿说纳砀哂懈甙?，下面?huì)對(duì)大小腿和關(guān)節(jié)型做詳細(xì)說明。 3.1.2膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)及腳部設(shè)計(jì) 膝關(guān)節(jié)有1DOF，完成沿額狀軸的較大幅度的屈伸活動(dòng)，可通過調(diào)整穿戴位置與骨骼膝關(guān)節(jié)同軸。膝關(guān)節(jié)的三維設(shè)計(jì)如圖3-3。 圖3-3 膝關(guān)節(jié)設(shè)計(jì) 此關(guān)節(jié)，我覺得是最好的關(guān)節(jié)型，因?yàn)?，它轉(zhuǎn)動(dòng)幅度大，安裝方便，還比較安全美觀，不過這種關(guān)節(jié)型，潤滑是最重要的，畢竟中間沒有滾珠，都是面與面接觸，所以我設(shè)計(jì)這種模型，需要定期加潤滑油，減少表面粗糙度。 腳踝設(shè)計(jì)也存在骸關(guān)節(jié)同樣的問題，即收展關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)不同軸而產(chǎn)生的偏差?？紤]到腳踝外側(cè)空間位置及腳部的連接，盡量使設(shè)計(jì)緊湊、貼近人體，從而減小偏差。三關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)副外側(cè)布置，沿小腿連桿方向從上到下依次為屈伸運(yùn)動(dòng)副、收展運(yùn)動(dòng)副和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)副。屈伸關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)副與骨骼踝關(guān)節(jié)屈伸同軸線。壓力信息通過連接件與腳踝部分相連接的檢測(cè)鞋測(cè)得。檢測(cè)鞋與腳面有綁縛約束。腳踝設(shè)計(jì)，安裝效果如圖3-4，3-5及旋轉(zhuǎn)連接器3-6。 圖3-4腳踝設(shè)計(jì) 此腳踝solidworks 3維圖，結(jié)構(gòu)比較符合人的小腿部分，與人體協(xié)調(diào)，設(shè)計(jì)也比較美觀。 圖3-5 腳踝安裝效果圖 腳踝關(guān)節(jié)，跟上面關(guān)節(jié)型一樣，它也有轉(zhuǎn)動(dòng)幅度大，安裝方便，還比較安全美觀等特點(diǎn)，同樣，潤滑是最重要的，中間沒有滾珠，都是面與面接觸，所以我設(shè)計(jì)這種模型，也需要定期加潤滑油，減少表面粗糙度。 圖3-6 旋轉(zhuǎn)連接器 設(shè)計(jì)這個(gè)圖形時(shí)，參考了一篇論文，不過，我簡化了，他使用了滾珠去作為潤滑工具，我覺得這雖然比較不錯(cuò)，不過對(duì)于我來說，一切簡單實(shí)用是最好的原則，使用面與面接觸，平常多加潤滑劑即可。 腿部連桿上有約束，膝以上約束位于外骨骼膝關(guān)節(jié)以上連桿根部膝關(guān)節(jié)附近。通過骸部的布位構(gòu)型和大小腿近膝關(guān)節(jié)約束保證了外骨骼穿戴緊湊，人機(jī)膝關(guān)節(jié)同步，協(xié)調(diào)誤差小。連桿在大小腿部分分別以較適合的空間位置以人體接近。腳部設(shè)計(jì)，跟平常鞋子一樣，使人腳穿進(jìn)去，固定，不滑動(dòng)，在腳的兩側(cè)開孔，使得腳夾子能裝上，這樣使得腳能夠?qū)崒?shí)在在固定，如圖3-7腳部設(shè)計(jì)及3-8腳夾子設(shè)計(jì)。 圖3-7 腳部設(shè)計(jì)圖 此結(jié)構(gòu)最容易設(shè)計(jì)錯(cuò)誤的是安裝兩側(cè)小孔的螺釘，我們需要安裝螺釘，但是螺釘頭較大時(shí)，容易抵觸地面，使穿戴著行走不舒適，所以此點(diǎn)要注意。 圖3-8 腳夾子設(shè)計(jì)圖 其中腳夾子開孔處，插入螺紋，使得兩個(gè)對(duì)應(yīng)的孔對(duì)齊，然后直接使用螺釘固定。材料我使用一般牛皮材料，為了實(shí)用該機(jī)構(gòu)的人，能夠舒服地穿上。 3.1.3下肢連接器 根據(jù)人的身高情況，上下連接器，我開了多個(gè)孔，就是為了調(diào)節(jié)身高，身高高的，我們只需要兩個(gè)轉(zhuǎn)接最前面的孔對(duì)齊，然后，插入螺釘，最后固定，同理可以得出矮身高的大小腿長度。如下圖連接器圖3-9。 圖3-9連接器 3.1.4大小腿彈簧助力器及保護(hù) 此裝置需要助力器，通過研究，我使用四根彈簧連接，使得人在步行時(shí)能夠得到助力，考慮到，彈簧直接裸露到外面，與人體直接接觸，我們需要管子，把它們套在里面，保護(hù)人體，這樣既能夠得到助力，又能保護(hù)，如圖3-10彈簧，3-11管子。 圖3-10 彈簧 彈簧，我使用了4根，其最大作用就是助力，作為支撐使用該機(jī)構(gòu)人的外力機(jī)，我這彈簧跟一般彈簧不同，我兩端生成圓環(huán)，為了就是能套上旋轉(zhuǎn)連接器突出的圓柱體。 圖3-11 管子 管子我使用了3個(gè)，大腿位移大，相互對(duì)插，里面裝彈簧，而小腿，通過自己研究及參考人體運(yùn)動(dòng)規(guī)律，小腿位移小，我直接連接上，就是單單作為保護(hù)裝置，不過，下面管子使用塑性材料，可以滿足一般形變。 3.1.5下肢骸部設(shè)計(jì) 為了消除骸關(guān)節(jié)兩旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的穿戴干涉，在背部添加了背部旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)副。骸 關(guān)節(jié)的3DOF位置關(guān)系由圖3-12所示。矢狀面的運(yùn)動(dòng)范圍較大，收展運(yùn)動(dòng)要滿 足內(nèi)收和外展兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，因此設(shè)計(jì)要充分考慮空間關(guān)系和限位。按照構(gòu)型 設(shè)計(jì)的要求，收展關(guān)節(jié)位于背后，其軸線與屈伸關(guān)節(jié)軸線匯交于穿戴者骸關(guān)節(jié)中 心，旋轉(zhuǎn)位于腿部外側(cè)屈伸關(guān)節(jié)上部，轉(zhuǎn)軸位于屈伸軸線正交處，屈伸關(guān)節(jié)位于 外側(cè)軸線并通過人體模型骸關(guān)節(jié)中心。骸部機(jī)構(gòu)安裝腰部支撐，骸部收展關(guān)節(jié)位 于體后側(cè)，可調(diào)整骸部安裝位置來保證收展關(guān)節(jié)軸線過骸關(guān)節(jié)球窩中心。機(jī)械零 部件設(shè)計(jì)和安裝效果如圖3-13所示。 圖3-12 骸關(guān)節(jié)的3DOF位置關(guān)系 圖3-13 骸部機(jī)械設(shè)計(jì)圖 其中腰帶扣，跟上下連接器一樣，需要調(diào)節(jié)大小，因?yàn)槿擞信质?，所以，我在兩端開了幾個(gè)孔，跟腰帶對(duì)齊。其中3-14為腰帶，3-15為腰帶扣。 圖3-14 腰帶 圖 3-15 腰帶扣 腰帶扣就是為了固定腰帶，通過兩者孔對(duì)齊情況，使得它的腰部可以伸縮。 3.1.6 腿部固定 圖3-16 腿固定器 突出的圓柱，上面導(dǎo)螺紋，與轉(zhuǎn)接上的一小孔連接，可使大小腿不會(huì)脫離該裝置。中間開了兩個(gè)小孔，為了通繩子，這樣，可以固定在兩個(gè)大小腿上，如圖3-16所示。 第四章 強(qiáng)度校核 4.1 關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)連接器受力分析。 關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)接器的工作能力就是指它的強(qiáng)度、剛度和振動(dòng)穩(wěn)定性等方面。關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)連接器的工作能力主要取決于它的強(qiáng)度，所以我們要進(jìn)行它的強(qiáng)度校核，以防止斷裂或塑性變形。進(jìn)行強(qiáng)度校核時(shí)，根據(jù)具體受載及應(yīng)力情況，通過solidworks上的SimulationXpress應(yīng)力計(jì)算，可以對(duì)此機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度校核情況有個(gè)很全面，直觀的看法。下圖4-1中綠色是夾具所夾位置，紅色是突出圓柱所受的力。圖4-2為所計(jì)算出的應(yīng)力情況，圖4-3為變形的位移情況。圖4-4為它的安全系數(shù)。 圖4-1 關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)接器受力情況 圖4-2 SimulationXpress Study-應(yīng)力-Stress 圖4-3 SimulationXpress Study-位移-Displacement 圖4-4 SimulationXpress Study-安全系數(shù)-Factor of Safety 設(shè)計(jì)總結(jié) 轉(zhuǎn)眼大學(xué)四年就將結(jié)束。只能說時(shí)間匆匆，在我們不經(jīng)意間已經(jīng)溜走。這次的畢業(yè)設(shè)計(jì)可以說是對(duì)我們大學(xué)四年學(xué)習(xí)成果的最終考驗(yàn)。在大學(xué)四年我們做過各種課程設(shè)計(jì)，但畢業(yè)設(shè)計(jì)可以說是一個(gè)綜合的大型的課程設(shè)計(jì)。是需要我們對(duì)四年大學(xué)所學(xué)學(xué)知識(shí)的充分理解和懂得綜合運(yùn)用，是對(duì)我們的綜合實(shí)力的檢查。通過本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我收獲和感觸很多。通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，讓我對(duì)大學(xué)四年所學(xué)知識(shí)有了一次簡單的回顧。也讓我學(xué)到了很多。 首先，是對(duì)機(jī)械腿方面有了一些比較系統(tǒng)的了解；再者也是對(duì)SolidWorks三維造型軟件回顧與掌握，在將來能夠更熟練的運(yùn)用，并且可以更加熟練地使用AUTOCAD軟件。 根據(jù)人體工程學(xué)原理和使用對(duì)象，確定了機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)方案和控制方案。確定了機(jī)構(gòu)的自由度，建立了機(jī)構(gòu)模型，并根據(jù)下肢參數(shù)，得到了機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)空間。機(jī)構(gòu)的動(dòng)力源采用彈簧，傳動(dòng)方式采用關(guān)節(jié)型裝置。 在畢業(yè)設(shè)計(jì)中，我也遇到很多問題。由于對(duì)穿戴式機(jī)械腿不怎么了解，拿到課題不知從何下手，沒有任何的思緒。也曾一度感到過無助和害怕。通過在圖書館借了一些列的書，又經(jīng)過老師的指導(dǎo)和學(xué)長的帶領(lǐng)，才找到一點(diǎn)點(diǎn)的自信。對(duì)穿戴式機(jī)械腿有了更多地了解和認(rèn)識(shí)。也在自己的摸索中慢慢地開始課題的設(shè)計(jì)。 總之，畢業(yè)設(shè)計(jì)中也我成長了很多。在做任何事情時(shí)，一定要做好準(zhǔn)備，不能因?yàn)椴欢粫?huì)而什么都不做。一切都是從不會(huì)到會(huì)的，從不懂到懂，這是我們必須經(jīng)歷的過程。在設(shè)計(jì)中，我并不是一下設(shè)計(jì)好的。由于自己考慮的不周全，走過很多彎路。不過現(xiàn)在覺得在將來面對(duì)相關(guān)課題時(shí)那些彎路是很好的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)。我非常感謝和珍惜這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，它讓我了解了自己實(shí)力。 這次做論文的經(jīng)歷也會(huì)使我終身受益，我感受到做論文是要真真正正用心去做的一件事情，是真正的自己學(xué)習(xí)的過程和研究的過程，沒有學(xué)習(xí)就不可能有研究的能力，沒有自己的研究，就不會(huì)有所突破，那也就不叫論文了。希望這次的經(jīng)歷能讓我在以后學(xué)習(xí)中激勵(lì)我繼續(xù)進(jìn)步。本設(shè)計(jì)能夠順利的完成，也歸功于各位任課老師的認(rèn)真負(fù)責(zé)，使我能夠很好的掌握和運(yùn)用專業(yè)知識(shí)，并在設(shè)計(jì)中得以體現(xiàn)。正是有了他們的悉心幫助和支持，才使我的畢業(yè)論文工作順利完成，在此向揚(yáng)州大學(xué)，機(jī)械系的全體老師表示由衷的謝意。感謝他們四年來的辛勤栽培。 參考文獻(xiàn) 【1】李研彪，劉毅，李景敏，計(jì)時(shí)鳴，趙章風(fēng)，新型擬人機(jī)械腿的參數(shù)優(yōu)化， 2013 【2】計(jì)時(shí)鳴，劉毅，李研彪，李景敏，一種新型擬人機(jī)械腿的運(yùn)動(dòng)傳遞性能分析，1001-4551(2012)10-1125-05 【3】伊蕾，助行康復(fù)機(jī)器人控制策略研究，2012,04 【4】鄧楚慧，穿戴式下肢康復(fù)機(jī)器人機(jī)構(gòu)分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)，2012,6.10 【5】劉毅，一種新型擬人機(jī)械腿的性能研究，2012,12 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Conference on Systems, Man and Cybernetics, 2003. 10, 1648-1653 致謝 感謝我的導(dǎo)師周建華教授，他有著淵博的學(xué)識(shí)，有著嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的態(tài)度，還有著縝密的邏輯思維及表達(dá)能力，這都深深影響著我。他嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致、一絲不茍的作風(fēng)一直是我學(xué)習(xí)中的榜樣;他循循善誘的教導(dǎo)和不拘一格的思路給予我無盡的啟迪。 本課題在選題及研究過程中得到曾勵(lì)教授的悉心指導(dǎo)。曾老師多次詢問研究進(jìn)程，并為我指點(diǎn)迷津，幫助我開拓研究思路，精心點(diǎn)撥，熱忱鼓勵(lì)，曾老師兢兢業(yè)業(yè)的作風(fēng)，踏踏實(shí)實(shí)的精神，這些都讓我獲益匪淺，并且將終生受用無窮。祝愿老師們身體健康，工作順利，桃李滿天下! 感謝團(tuán)隊(duì)里的老師和同學(xué)們?cè)趯W(xué)習(xí)和生活上的幫助。感謝季琳莉，閆相宜，吳一非學(xué)習(xí)上給予的指導(dǎo)及幫助，他們使得平日里的科研生活變得豐富多彩，和他們朝夕相處的日子值得珍藏理解和包容;感謝他們?cè)趯W(xué)習(xí)和生活上的幫助。在此謹(jǐn)向他們表示最誠摯的謝意! 最后要特別感謝我的父母和家人，感謝他們對(duì)我的支持和鼓勵(lì)，感謝他們對(duì)我的培養(yǎng)和付出，他們對(duì)我無私的愛和寄予的期望是我成長的動(dòng)力和源泉。祝他們幸?？鞓? 再次感謝所有關(guān)心和幫助我的人。 蔣璞 2014年5月30日 50