【正文】 第1章　緒論　概述康復(fù)機(jī)器人是近年出現(xiàn)的一種新型機(jī)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(yùn)動(dòng)障礙的人恢復(fù)提高運(yùn)動(dòng)能力，稱為康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人是作為一種輔助裝置代替失去運(yùn)動(dòng)能力的肢體完成一部分動(dòng)作，稱為機(jī)器人假肢?？祻?fù)機(jī)器人作一種自動(dòng)化設(shè)備，可以幫助患者進(jìn)行科學(xué)而又有效的康復(fù)訓(xùn)練，使患者的運(yùn)動(dòng)機(jī)能得到更好的恢復(fù)?？祻?fù)機(jī)器人由計(jì)算機(jī)控制，并配有相應(yīng)的傳感器和安全系統(tǒng)，可以自動(dòng)廉價(jià)康復(fù)訓(xùn)練效果，根據(jù)病人的實(shí)際情況自動(dòng)調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)最佳訓(xùn)練?？祻?fù)機(jī)器人在原理上和工業(yè)機(jī)器有很大的區(qū)別，它也不限于一般的體育運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練器材。它直接作用于人體，與人在同一個(gè)作業(yè)空間工作，人與機(jī)器人作為一個(gè)整體而協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)?？祻?fù)機(jī)器人成果包括以下三方面技術(shù)：手部康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人：手及腕部康復(fù)訓(xùn)練。手臂康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人：手臂康復(fù)訓(xùn)練。下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人：行走功康復(fù)訓(xùn)練。康復(fù)機(jī)器人技術(shù)得以傳化為產(chǎn)品對(duì)于提高患者康復(fù)質(zhì)量，減少患者的病痛，減輕社會(huì)負(fù)擔(dān)具有重要的實(shí)際意義。由于各種原因而患有一側(cè)肢體運(yùn)動(dòng)障礙的患者人數(shù)很多，隨著生活水平的提高對(duì)康復(fù)治療的需求也會(huì)越來(lái)很大，康復(fù)機(jī)器人將有很好的市場(chǎng)前景。這項(xiàng)技術(shù)在歐美等國(guó)家自得到普遍重視，康復(fù)機(jī)器人成果的轉(zhuǎn)化可能會(huì)帶動(dòng)一個(gè)新興的機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，這將對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展發(fā)揮重要作用?！∠轮祻?fù)機(jī)器人研究現(xiàn)狀　康復(fù)機(jī)器人的生產(chǎn)發(fā)展康復(fù)機(jī)器人是幫助殘疾人解決生活中活動(dòng)困難的一種工具，它可以在家里或在工作場(chǎng)所使用，使殘疾人獲得更強(qiáng)的生活能力，并相當(dāng)大地提高他們的生活質(zhì)量?？祻?fù)機(jī)器人現(xiàn)在已經(jīng)由科學(xué)幻想走進(jìn)了現(xiàn)實(shí)生活之中過(guò)去幾年，康復(fù)機(jī)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(kāi)發(fā)及投資方面給予了支持目前已有兩種康復(fù)機(jī)器人打人了市場(chǎng)，即Hmdv l及MANus，它們都是歐洲生產(chǎn)的Handy 1有5個(gè)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(gè)自由度，其工作范圍可由地面到人站立時(shí)達(dá)到的地方，不過(guò)，康復(fù)機(jī)器人進(jìn)人市場(chǎng)的過(guò)程卻非常緩慢，許多人仍然把它看作是一項(xiàng)未來(lái)的技術(shù) 顯然，要想在實(shí)際生活中很好地利用康復(fù)機(jī)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(fù)訓(xùn)練機(jī)器人是根據(jù)康復(fù)醫(yī)學(xué)理論和人機(jī)合作機(jī)器人原理，通過(guò)一套計(jì)算機(jī)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(fù)訓(xùn)練運(yùn)動(dòng)，鍛煉下肢的肌肉，恢復(fù)神經(jīng)系統(tǒng)對(duì)行走功能的控制能力，達(dá)到恢復(fù)走路機(jī)能的目的。根據(jù)機(jī)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(tái)，類似于桌面工作站，將機(jī)械手安裝在固定的控制平臺(tái)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(jī)械手安裝在輪椅上，這樣就可以在任何地域使用，但這導(dǎo)致了機(jī)械手剛性下降，抓取的精度往往達(dá)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(jī)構(gòu)是將機(jī)械手安裝在自主或半自主車輛上。下肢康復(fù)機(jī)器人屬于運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練機(jī)器人，下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)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(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)病人下肢的康復(fù)訓(xùn)練。在整個(gè)機(jī)器人的工作過(guò)程中，主要是通過(guò)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)來(lái)帶動(dòng)病人癱瘓的下肢，使其在牽引力的作用下能夠完成對(duì)正常人的步態(tài)的模擬，從而達(dá)到對(duì)下肢的肌肉鍛煉目的，進(jìn)而達(dá)到能夠恢復(fù)神經(jīng)系統(tǒng)對(duì)行走功能的控制能力，進(jìn)一步的達(dá)到恢復(fù)整個(gè)行走機(jī)能，最終能夠是病人進(jìn)早的在病痛中脫離出來(lái)。已有研究表明，兒童能通過(guò)操作電動(dòng)輪椅適當(dāng)提高視覺(jué)、空間的技能和運(yùn)動(dòng)能力，同樣可以用類似的器械來(lái)提高老年人甚至成年人的運(yùn)動(dòng)能力。如對(duì)運(yùn)動(dòng)員運(yùn)動(dòng)損傷的康復(fù)治療、針對(duì)性輔助訓(xùn)練，以及像宇航員這種特殊職業(yè)的模擬訓(xùn)練等。國(guó)外在這一領(lǐng)域已經(jīng)有了較廣泛的研究與應(yīng)用，國(guó)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(jī)器人在這一領(lǐng)域的應(yīng)用前景將十分廣闊。 　國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀1987年，英國(guó)Mike Topping公司研制成功了Handy1康復(fù)機(jī)器人樣機(jī)，它是目前世界上最成功的一種低價(jià)、市售的康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)，目前正在生產(chǎn)的Handy1機(jī)器人由5自由度機(jī)器人手臂和新型控制器組成，具有話音識(shí)別、語(yǔ)音合成、傳感器輸人、手柄控制以及步進(jìn)電機(jī)控制能力。Handy1具有很強(qiáng)的通話能力，它可以在操作過(guò)程中為護(hù)理人員及用戶提供有用的信息，所提供的信息可以是簡(jiǎn)單的操作指令或有益的指示，可以用任何一種歐洲語(yǔ)言表達(dá)出來(lái)。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(yǔ)言的障礙。MANUS是另外一種進(jìn)人市場(chǎng)的康復(fù)機(jī)器人，由荷蘭Exact Dynamics公司開(kāi)發(fā)，該手臂具有7個(gè)自由度，包括6個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度和1個(gè)機(jī)械手。（ETH）的名為L(zhǎng)OKOMAT的康復(fù)機(jī)器人。[3]。 美國(guó)Rutgers踝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人國(guó)外關(guān)于醫(yī)學(xué)機(jī)器人的研究雖然已取得了不少成就，但離生物機(jī)器人還有相當(dāng)?shù)木嚯x，因此還有很多工作要做。國(guó)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(guó)內(nèi)只有哈爾濱工程大學(xué)機(jī)點(diǎn)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(fù)訓(xùn)練機(jī)器人，下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人 ETH的LOKOMAETH的LOKOMAT 復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人，下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人， 臥式下肢康復(fù)訓(xùn)練器等，并獲得了專利。　下肢康復(fù)機(jī)器人的主要目的及現(xiàn)實(shí)意義研究下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人，主要是對(duì)于要進(jìn)行下肢康復(fù)訓(xùn)練的人來(lái)說(shuō)，下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)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(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)下肢的康復(fù)訓(xùn)練，下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人可以模擬正常人的步伐規(guī)律、鍛煉下肢的肌肉，恢復(fù)神經(jīng)系統(tǒng)對(duì)行走能力的控制，達(dá)到恢復(fù)走路機(jī)能的目的。從總體上來(lái)看，下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的總體工作目的就是為了能夠使下肢需要進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練的人能夠更加方便的，更輕松的達(dá)到訓(xùn)練的目的，對(duì)下肢的康復(fù)訓(xùn)練起到輔助的作用。從總體上來(lái)看，研究下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的最大的受益者就是下肢康復(fù)訓(xùn)練有難度的病人，他可以幫助病人進(jìn)早的從病痛中擺脫出來(lái)，及早的恢復(fù)健康的身體，這些是研究的直接原因和動(dòng)力。從另一方面來(lái)看，對(duì)于下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的研究在對(duì)以后研究其他的類似康復(fù)機(jī)器人的時(shí)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(gè)很好的基礎(chǔ)，為以后的工作的延續(xù)提供了一個(gè)基礎(chǔ)平臺(tái)。站在醫(yī)院的角度來(lái)看，康復(fù)機(jī)人的研究給他帶來(lái)了實(shí)在的好處。一方面可以減少工作護(hù)理人員的負(fù)擔(dān)，同時(shí)還可以是病人能夠運(yùn)動(dòng)的更加的方便?！￡P(guān)于下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人踝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的分析　下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人基本結(jié)構(gòu) 下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人外觀結(jié)構(gòu)圖，它由機(jī)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(dǎo)軌、重心平衡系統(tǒng)、活動(dòng)扶手等組成。受訓(xùn)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(guò)吊纜和機(jī)座內(nèi)的重力平衡機(jī)構(gòu)相連，以平衡受訓(xùn)練者的部分體重，吊纜的長(zhǎng)度通過(guò)纜長(zhǎng)調(diào)整機(jī)構(gòu)和纜繩來(lái)調(diào)整。當(dāng)機(jī)器人開(kāi)始工作后，走步狀態(tài)控制系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)的控制下帶動(dòng)受訓(xùn)練者的雙腿做走步運(yùn)動(dòng)，重心控制系統(tǒng)根據(jù)受訓(xùn)者的走步狀態(tài)，自動(dòng)計(jì)算重心的高低變化，通過(guò)吊纜實(shí)時(shí)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(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)工作幫助患者進(jìn)行走步運(yùn)動(dòng)練。步態(tài)控制裝置主要由主動(dòng)曲柄、腳踏板(連桿)和滑輪組成。主動(dòng)曲柄由直流伺服電機(jī)控制，腳跟隨踏板一起被動(dòng)運(yùn)動(dòng)，形成一個(gè)橢圓軌跡，產(chǎn)生與正常人行走軌跡相近的運(yùn)動(dòng)軌跡，同時(shí)由于腳跟隨踏板運(yùn)動(dòng)，患者的小腿和大腿處于相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)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(guò)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)整，步幅則通過(guò)改變主動(dòng)曲柄的工作半徑來(lái)調(diào)節(jié)。腳的姿態(tài)控制系統(tǒng)是由直線伺服機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的，通過(guò)控制腳踏板繞踏板軸回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的角度，來(lái)模擬正常人走路時(shí)踝關(guān)節(jié)的姿態(tài)變化[4]?！□钻P(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的整體思路踝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方案是由圓柱凸輪加一從動(dòng)桿組成的機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這個(gè)機(jī)構(gòu)可以把直流伺服電動(dòng)機(jī)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為踝關(guān)節(jié)的往復(fù)傾斜運(yùn)動(dòng)，并能夠保證驅(qū)動(dòng)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(guò)圓柱凸輪的轉(zhuǎn)動(dòng)就可以帶動(dòng)腳踏板的運(yùn)動(dòng)，從而迫使踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)。凸輪的運(yùn)轉(zhuǎn)則與直流伺服電機(jī)相連。直流伺服電機(jī)在單片機(jī)的控制下進(jìn)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(fù)訓(xùn)練．控制單片機(jī)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間經(jīng)過(guò)調(diào)速器、PWM放大器以及光電耦合隔離，減少干擾，并設(shè)計(jì)專門的I／O接口電路板對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大整形等處理?！”驹O(shè)計(jì)的主要任務(wù)和要求本課題的任務(wù)就是設(shè)計(jì)下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人踝關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。包括完成整體機(jī)械部分的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和完成整個(gè)設(shè)計(jì)的三維實(shí)體仿真。用Pro/E軟件繪制三維造型，通過(guò)動(dòng)態(tài)模擬以檢驗(yàn)?zāi)芊駥?shí)現(xiàn)預(yù)定功能。通過(guò)整體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，掌握下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的研究的基本方法。第2章　機(jī)構(gòu)總體設(shè)計(jì)　引言下肢康復(fù)機(jī)器人踝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，是對(duì)下肢具有運(yùn)動(dòng)障礙的患者進(jìn)行主動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練的自動(dòng)化機(jī)械裝置，此時(shí)患者是被動(dòng)運(yùn)動(dòng)，它可以幫助腿部運(yùn)動(dòng)有障礙的患者進(jìn)行運(yùn)動(dòng)機(jī)能恢復(fù)性訓(xùn)練。通過(guò)計(jì)算機(jī)自動(dòng)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(yùn)動(dòng)功能得到訓(xùn)練。本課題研究的主要任務(wù)是完成下肢康復(fù)機(jī)器人的腳踝的機(jī)械本體設(shè)計(jì)，它是整個(gè)下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的一部分，安裝在下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的連桿上，以便協(xié)調(diào)地訓(xùn)練整個(gè)下肢來(lái)達(dá)到康復(fù)訓(xùn)練的目的。作為幫助有下肢運(yùn)動(dòng)障礙的病人進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練的機(jī)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(yùn)動(dòng)，盡量仿真人體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，盡量與人體各個(gè)關(guān)節(jié)的速度變化曲線相吻合，為病人進(jìn)行下肢機(jī)能恢復(fù)訓(xùn)練提供幫助，使病人在康復(fù)訓(xùn)練過(guò)程中感到舒適。其次，考慮到機(jī)器人的工作對(duì)象是行動(dòng)不便的病人，需要提高機(jī)器人的可靠性和安全性，盡可能地保證患者的