【正文】 第1章　緒論　概述康復機器人是近年出現(xiàn)的一種新型機器人，它的主要作用有兩方面，一是幫助由于疾病而造成偏癱，或者因意外傷害造成肢體運動障礙的人恢復提高運動能力，稱為康復訓練機器人是作為一種輔助裝置代替失去運動能力的肢體完成一部分動作，稱為機器人假肢?？祻蜋C器人作一種自動化設(shè)備，可以幫助患者進行科學而又有效的康復訓練，使患者的運動機能得到更好的恢復?？祻蜋C器人由計算機控制，并配有相應(yīng)的傳感器和安全系統(tǒng)，可以自動廉價康復訓練效果，根據(jù)病人的實際情況自動調(diào)節(jié)運動參數(shù)，實現(xiàn)最佳訓練?？祻蜋C器人在原理上和工業(yè)機器有很大的區(qū)別，它也不限于一般的體育運動訓練器材。它直接作用于人體，與人在同一個作業(yè)空間工作，人與機器人作為一個整體而協(xié)調(diào)運動?？祻蜋C器人成果包括以下三方面技術(shù)：手部康復訓練機器人：手及腕部康復訓練。手臂康復訓練機器人：手臂康復訓練。下肢康復訓練機器人：行走功康復訓練。康復機器人技術(shù)得以傳化為產(chǎn)品對于提高患者康復質(zhì)量，減少患者的病痛，減輕社會負擔具有重要的實際意義。由于各種原因而患有一側(cè)肢體運動障礙的患者人數(shù)很多，隨著生活水平的提高對康復治療的需求也會越來很大，康復機器人將有很好的市場前景。這項技術(shù)在歐美等國家自得到普遍重視，康復機器人成果的轉(zhuǎn)化可能會帶動一個新興的機器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，這將對國民經(jīng)濟的發(fā)展發(fā)揮重要作用?！∠轮祻蜋C器人研究現(xiàn)狀　康復機器人的生產(chǎn)發(fā)展康復機器人是幫助殘疾人解決生活中活動困難的一種工具，它可以在家里或在工作場所使用，使殘疾人獲得更強的生活能力，并相當大地提高他們的生活質(zhì)量?？祻蜋C器人現(xiàn)在已經(jīng)由科學幻想走進了現(xiàn)實生活之中過去幾年，康復機器人在歐洲已經(jīng)有所發(fā)展，一些歐洲企業(yè)在技術(shù)開發(fā)及投資方面給予了支持目前已有兩種康復機器人打人了市場，即Hmdv l及MANus，它們都是歐洲生產(chǎn)的Handy 1有5個自由度，殘疾人可利用它在桌面高度吃飯；MANUs是一種裝在輪椅上的仿人形的手臂，它有6(或7)個自由度，其工作范圍可由地面到人站立時達到的地方，不過，康復機器人進人市場的過程卻非常緩慢，許多人仍然把它看作是一項未來的技術(shù) 顯然，要想在實際生活中很好地利用康復機器人。除了技術(shù)因素之外，還受到一些其他因素的影響。下肢康復訓練機器人是根據(jù)康復醫(yī)學理論和人機合作機器人原理，通過一套計算機控制下的走步狀態(tài)控制系統(tǒng)，使患者模擬正常人的步伐規(guī)律作康復訓練運動，鍛煉下肢的肌肉，恢復神經(jīng)系統(tǒng)對行走功能的控制能力，達到恢復走路機能的目的。根據(jù)機器人技術(shù)的發(fā)展水平，一般具有以下三種結(jié)構(gòu)．第一種是徹底結(jié)構(gòu)化的控制平臺，類似于桌面工作站，將機械手安裝在固定的控制平臺上，完成在固定工作空間內(nèi)的操作；第二種結(jié)構(gòu)是將機械手安裝在輪椅上，這樣就可以在任何地域使用，但這導致了機械手剛性下降，抓取的精度往往達不到要求，而且這種方法只適合于那些可以用輪椅的人。第三種機構(gòu)是將機械手安裝在自主或半自主車輛上。下肢康復機器人屬于運動訓練機器人，下肢康復訓練機器人的主要工作任務(wù)就是能夠模擬真人的步態(tài)姿態(tài)，來實現(xiàn)對病人下肢的康復訓練。在整個機器人的工作過程中，主要是通過機器人的運動來帶動病人癱瘓的下肢，使其在牽引力的作用下能夠完成對正常人的步態(tài)的模擬，從而達到對下肢的肌肉鍛煉目的，進而達到能夠恢復神經(jīng)系統(tǒng)對行走功能的控制能力，進一步的達到恢復整個行走機能，最終能夠是病人進早的在病痛中脫離出來。已有研究表明，兒童能通過操作電動輪椅適當提高視覺、空間的技能和運動能力，同樣可以用類似的器械來提高老年人甚至成年人的運動能力。如對運動員運動損傷的康復治療、針對性輔助訓練，以及像宇航員這種特殊職業(yè)的模擬訓練等。國外在這一領(lǐng)域已經(jīng)有了較廣泛的研究與應(yīng)用，國內(nèi)尚處于起步階段。隨著體育和職業(yè)教育兩大產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，機器人在這一領(lǐng)域的應(yīng)用前景將十分廣闊。 　國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀1987年，英國Mike Topping公司研制成功了Handy1康復機器人樣機，它是目前世界上最成功的一種低價、市售的康復機器人系統(tǒng)，目前正在生產(chǎn)的Handy1機器人由5自由度機器人手臂和新型控制器組成，具有話音識別、語音合成、傳感器輸人、手柄控制以及步進電機控制能力。Handy1具有很強的通話能力，它可以在操作過程中為護理人員及用戶提供有用的信息，所提供的信息可以是簡單的操作指令或有益的指示，可以用任何一種歐洲語言表達出來。這種裝置可以大大提高Handyl方便用戶的能力，而且有助于突破語言的障礙。MANUS是另外一種進人市場的康復機器人，由荷蘭Exact Dynamics公司開發(fā)，該手臂具有7個自由度，包括6個旋轉(zhuǎn)自由度和1個機械手。（ETH）的名為LOKOMAT的康復機器人。[3]。 美國Rutgers踝關(guān)節(jié)康復訓練機器人國外關(guān)于醫(yī)學機器人的研究雖然已取得了不少成就，但離生物機器人還有相當?shù)木嚯x，因此還有很多工作要做。國內(nèi)關(guān)于這方面的研究較少，主要是集中在假肢領(lǐng)域。國內(nèi)只有哈爾濱工程大學機點一體化研究所在這領(lǐng)域取得了一定的成果。成功研制出了多功能手臂康復訓練機器人，下肢康復訓練機器人 ETH的LOKOMAETH的LOKOMAT 復訓練機器人，下肢康復訓練機器人， 臥式下肢康復訓練器等，并獲得了專利?！∠轮祻蜋C器人的主要目的及現(xiàn)實意義研究下肢康復訓練機器人，主要是對于要進行下肢康復訓練的人來說，下肢康復訓練機器人可以控制使其模擬正常人的行走姿態(tài)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的協(xié)調(diào)運動，實現(xiàn)對下肢的康復訓練，下肢康復訓練機器人可以模擬正常人的步伐規(guī)律、鍛煉下肢的肌肉，恢復神經(jīng)系統(tǒng)對行走能力的控制，達到恢復走路機能的目的。從總體上來看，下肢康復訓練機器人的總體工作目的就是為了能夠使下肢需要進行康復訓練的人能夠更加方便的，更輕松的達到訓練的目的，對下肢的康復訓練起到輔助的作用。從總體上來看，研究下肢康復訓練機器人的最大的受益者就是下肢康復訓練有難度的病人，他可以幫助病人進早的從病痛中擺脫出來，及早的恢復健康的身體，這些是研究的直接原因和動力。從另一方面來看，對于下肢康復訓練機器人的研究在對以后研究其他的類似康復機器人的時候，他有很多的研究成果都是可以直接被后續(xù)的工作所應(yīng)用的。為其他的研究工作打下了一個很好的基礎(chǔ)，為以后的工作的延續(xù)提供了一個基礎(chǔ)平臺。站在醫(yī)院的角度來看，康復機人的研究給他帶來了實在的好處。一方面可以減少工作護理人員的負擔，同時還可以是病人能夠運動的更加的方便?！￡P(guān)于下肢康復訓練機器人踝關(guān)節(jié)驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計的分析　下肢康復訓練機器人基本結(jié)構(gòu) 下肢康復訓練機器人外觀結(jié)構(gòu)圖，它由機座、左腳走步狀態(tài)控制系統(tǒng)、右腳走步狀態(tài)控制系統(tǒng)、左腳姿態(tài)控制系統(tǒng)、右腳姿態(tài)控制系統(tǒng)、框架、導軌、重心平衡系統(tǒng)、活動扶手等組成。受訓練者的雙腳站在走步狀態(tài)控制系統(tǒng)的腳踏板上，穿好承重背心，背心通過吊纜和機座內(nèi)的重力平衡機構(gòu)相連，以平衡受訓練者的部分體重，吊纜的長度通過纜長調(diào)整機構(gòu)和纜繩來調(diào)整。當機器人開始工作后，走步狀態(tài)控制系統(tǒng)在計算機的控制下帶動受訓練者的雙腿做走步運動，重心控制系統(tǒng)根據(jù)受訓者的走步狀態(tài)，自動計算重心的高低變化，通過吊纜實時調(diào)節(jié)重心的高低并具有防止摔倒的功能。腳踏板由左右兩塊踏板組成，它在步態(tài)控制裝置的控制下，與重心平衡機構(gòu)協(xié)調(diào)工作幫助患者進行走步運動練。步態(tài)控制裝置主要由主動曲柄、腳踏板(連桿)和滑輪組成。主動曲柄由直流伺服電機控制，腳跟隨踏板一起被動運動，形成一個橢圓軌跡，產(chǎn)生與正常人行走軌跡相近的運動軌跡，同時由于腳跟隨踏板運動，患者的小腿和大腿處于相應(yīng)的運動狀態(tài)。由兩套步態(tài)裝置分別控制兩條腿的走步狀態(tài)，兩者之間成相位關(guān)系，走步的速度通過控制電機的轉(zhuǎn)速來調(diào)整，步幅則通過改變主動曲柄的工作半徑來調(diào)節(jié)。腳的姿態(tài)控制系統(tǒng)是由直線伺服機構(gòu)實現(xiàn)的，通過控制腳踏板繞踏板軸回轉(zhuǎn)運動的角度，來模擬正常人走路時踝關(guān)節(jié)的姿態(tài)變化[4]?！□钻P(guān)節(jié)驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計的整體思路踝關(guān)節(jié)驅(qū)動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方案是由圓柱凸輪加一從動桿組成的機構(gòu)來實現(xiàn)的，這個機構(gòu)可以把直流伺服電動機的回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為踝關(guān)節(jié)的往復傾斜運動，并能夠保證驅(qū)動的腳踏板俯仰角度與踝關(guān)節(jié)俯仰的角度互相一致，在～之間。通過圓柱凸輪的轉(zhuǎn)動就可以帶動腳踏板的運動，從而迫使踝關(guān)節(jié)運動，實現(xiàn)驅(qū)動。凸輪的運轉(zhuǎn)則與直流伺服電機相連。直流伺服電機在單片機的控制下進行速度、位置和角度的協(xié)調(diào)控制，以適應(yīng)不同狀態(tài)的康復訓練．控制單片機與執(zhí)行機構(gòu)之間經(jīng)過調(diào)速器、PWM放大器以及光電耦合隔離，減少干擾，并設(shè)計專門的I／O接口電路板對信號進行放大整形等處理。　本設(shè)計的主要任務(wù)和要求本課題的任務(wù)就是設(shè)計下肢康復訓練機器人踝關(guān)節(jié)的驅(qū)動系統(tǒng)。包括完成整體機械部分的機構(gòu)設(shè)計和完成整個設(shè)計的三維實體仿真。用Pro/E軟件繪制三維造型，通過動態(tài)模擬以檢驗能否實現(xiàn)預定功能。通過整體的結(jié)構(gòu)設(shè)計，掌握下肢康復訓練機器人的研究的基本方法。第2章　機構(gòu)總體設(shè)計　引言下肢康復機器人踝關(guān)節(jié)驅(qū)動系統(tǒng)，是對下肢具有運動障礙的患者進行主動康復訓練的自動化機械裝置，此時患者是被動運動，它可以幫助腿部運動有障礙的患者進行運動機能恢復性訓練。通過計算機自動控制患者的重心和走步狀態(tài)，模擬正常人的走路狀態(tài)，使病腿的運動功能得到訓練。本課題研究的主要任務(wù)是完成下肢康復機器人的腳踝的機械本體設(shè)計，它是整個下肢康復訓練機器人的一部分，安裝在下肢康復訓練機器人的連桿上，以便協(xié)調(diào)地訓練整個下肢來達到康復訓練的目的。作為幫助有下肢運動障礙的病人進行康復訓練的機器人，首先，應(yīng)該具有合理的結(jié)構(gòu)，能夠模擬正常人的行走運動，盡量仿真人體的運動規(guī)律，盡量與人體各個關(guān)節(jié)的速度變化曲線相吻合，為病人進行下肢機能恢復訓練提供幫助，使病人在康復訓練過程中感到舒適。其次，考慮到機器人的工作對象是行動不便的病人，需要提高機器人的可靠性和安全性，盡可能地保證患者的