用于偏癱患者康復(fù)訓(xùn)練的原地步行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文(編輯修改稿)
2025-07-19 19:15 本頁面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 心，正在進(jìn)行著步行康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人(GaitRehabilitationTrainingSystem，GRTS)的研究工作。GRTS機(jī)器人是電機(jī)直接進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的，通過控制四個(gè)電機(jī)的協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)動(dòng)，來完成步行運(yùn)動(dòng)。該機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，控制方便，屈曲角度大等優(yōu)點(diǎn)，但此機(jī)器人的髖、膝關(guān)節(jié)處的驅(qū)動(dòng)器的軸的徑向尺寸較大[7]。2004年，中科院合肥智能機(jī)器研究所研制出了“可穿戴型助力機(jī)器人”，此機(jī)器人成功地采用了類人結(jié)構(gòu)[8]，通過改變各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)數(shù)值，來協(xié)調(diào)人體運(yùn)動(dòng)并為之提供助力。使用活動(dòng)踏板式的下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人時(shí),患者站立在踏板上,患者的腳底的活動(dòng)踏板來帶動(dòng)腳踝進(jìn)行運(yùn)動(dòng),并使腳踝的運(yùn)動(dòng)曲線與正常的步態(tài)腳踝的運(yùn)動(dòng)軌跡一樣，從而患者在平板步行機(jī)上，進(jìn)行下肢步行的康復(fù)訓(xùn)練,患者在訓(xùn)練時(shí)，通過減重系統(tǒng)對(duì)其下肢的負(fù)重進(jìn)行減重。早在很久前，德國(guó)的柏林自由大學(xué)( FreieUniversit228。tBerlin, FUB )早已經(jīng)開展了有關(guān)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的研究工作，研制成果有很多，典型作品之一是在2000年研制成功的機(jī)械式康復(fù)訓(xùn)練器[912] ( MechanicalGaitTraining,MGT )。此康復(fù)訓(xùn)練器最大的特點(diǎn)是，可重復(fù)進(jìn)行訓(xùn)練和矯正患者的步姿，最重要的是可以對(duì)受訓(xùn)者的重心進(jìn)行控制，減少醫(yī)生的工作。但是，由于康復(fù)機(jī)器人的機(jī)構(gòu)中并沒引進(jìn)較為先進(jìn)的伺服控制系統(tǒng)，所以，康復(fù)器只能按機(jī)械原理圖（）所設(shè)定的軌跡來動(dòng)作，不能夠模擬其他較為復(fù)雜的姿態(tài)。因此，該康復(fù)器很難滿足臨床康復(fù)對(duì)患者不同功能狀態(tài)的訓(xùn)練要求，很快就被淘汰了。 康復(fù)訓(xùn)練器原理圖 踝關(guān)節(jié)訓(xùn)練機(jī)器人美國(guó)的RUTGERS大學(xué)研制出了RUTGER踝部康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人樣機(jī)[13]，(）。臺(tái)北科技大學(xué)研制了下肢移動(dòng)式機(jī)器人[14]，此機(jī)器人通過利用開發(fā)的運(yùn)動(dòng)控制設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)三種康復(fù)訓(xùn)練模式：CPM持續(xù)被動(dòng)運(yùn)動(dòng)模式、CAM持續(xù)活躍的運(yùn)動(dòng)模式和HM混合運(yùn)動(dòng)模式。雖然這兩種機(jī)器人體積較小，安裝比較簡(jiǎn)單，但是不能對(duì)患者進(jìn)行嚴(yán)格的步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練。為更好地幫助偏癱患者完成行走康復(fù),助行訓(xùn)練機(jī)器人骨盆位姿控制機(jī)構(gòu)大程度上被推廣出去。在加州大學(xué)歐文分校，科研人員設(shè)計(jì)出了PAM骨盆輔助機(jī)械手，是用一對(duì)三自由度氣缸作為驅(qū)動(dòng)裝置，對(duì)人體骨盆進(jìn)行控制。該P(yáng)AM有五個(gè)自由度，并且，該機(jī)器人采用了BWS懸掛式重力支撐系統(tǒng)，控制盆骨兩端的位置達(dá)到預(yù)期實(shí)驗(yàn)效果的同時(shí)，便于被康復(fù)者完成最佳的訓(xùn)練效果。 對(duì)于偏癱患者，以患者的健肢的步態(tài)參數(shù)作為患肢康復(fù)運(yùn)動(dòng)的參考數(shù)據(jù)是較理想的選擇，目前外骨骼下肢步態(tài)機(jī)器人通常需要與步行臺(tái)配合使用來完成訓(xùn)練，步行臺(tái)會(huì)對(duì)患者的步態(tài)產(chǎn)生一定的影響，使患者難以按照自身的意向進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，所設(shè)計(jì)的原地步行系統(tǒng)可以代替步行臺(tái)，應(yīng)用磁流變阻尼器提供可控阻力，并具有重力補(bǔ)償功能，同時(shí)能夠檢測(cè)患者健肢運(yùn)功信息，作為患者運(yùn)動(dòng)的參考數(shù)據(jù)。主要技術(shù)要求：（1）髖關(guān)節(jié)最大運(yùn)動(dòng)范圍：屈40176。，伸30176。（2）膝關(guān)節(jié)最大運(yùn)動(dòng)范圍：屈70176。，伸0176。（3）踝關(guān)節(jié)最大運(yùn)動(dòng)范圍：屈30176。，伸20176。（4）各關(guān)節(jié)最大運(yùn)動(dòng)速度：（5）應(yīng)用步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件2 總體方案的選定健肢運(yùn)動(dòng)檢測(cè)裝置，髖、膝、踝關(guān)節(jié)各有一個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，并在每個(gè)關(guān)節(jié)上安裝一個(gè)角位移傳感器，測(cè)量運(yùn)動(dòng)參數(shù)，并設(shè)有大腿小腿固定裝置。四連桿原地步行裝置中，伺服電機(jī)與減速器相連，減速器與磁流變阻尼器相連，為機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)提供驅(qū)動(dòng)力矩或阻尼力矩，并且腳部支撐始終與地面保持平行。為了監(jiān)測(cè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)參數(shù)機(jī)構(gòu)與原地步行機(jī)構(gòu)間相互作用力，在其間設(shè)置了力檢測(cè)裝置，（）。 草圖第 1—2 周 搜集各種設(shè)計(jì)資料及論文文獻(xiàn)，分類整理收集到的資料文獻(xiàn)，完成文獻(xiàn)的綜述，并書寫畢業(yè)設(shè)計(jì)的前期報(bào)告。第3—5 周 設(shè)計(jì)總體的設(shè)計(jì)方案，使用Proe繪制總體方案示意圖。第6—10 周 具體設(shè)計(jì)，利用Proe繪制整體模型、零件模型，并且完成總裝配圖的設(shè)計(jì)。第11—13 周 利用AuToCAD繪制二維零件圖，并且手繪部分零件圖，最終完成設(shè)計(jì)說明書的編寫工作3 偏癱患者患肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)依偏癱患者進(jìn)行步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練時(shí)的需要，設(shè)計(jì)出一種既能支撐患者的體重，又不需要步行臺(tái)的下肢外骨骼式步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練裝置。該裝置能夠隨時(shí)檢測(cè)出患者健肢的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，并且生成步態(tài)模型，患肢以此模型作為運(yùn)動(dòng)的參考[16]。這次涉及到的偏癱患者患肢康復(fù)訓(xùn)練的機(jī)器人主要是健肢側(cè)[17]?；颊哌M(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練時(shí)，健肢側(cè)機(jī)構(gòu)能夠檢測(cè)患者健肢的各關(guān)節(jié)的步態(tài)參數(shù)，以此參數(shù)作為患肢運(yùn)動(dòng)的參考。健肢機(jī)構(gòu)原地步行系統(tǒng)能夠模擬地面，為運(yùn)動(dòng)提供足底反力。健肢側(cè)機(jī)構(gòu)包括三部分：外骨骼式的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)參數(shù)檢測(cè)裝置、應(yīng)用平面四桿結(jié)構(gòu)的原地步行系統(tǒng)，和力檢測(cè)裝置，（）。 健肢側(cè)機(jī)構(gòu)健肢運(yùn)動(dòng)檢測(cè)裝置，（）具有三個(gè)自由度，在腿部的三個(gè)關(guān)節(jié)處各有一個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，并在每個(gè)關(guān)節(jié)上安裝一個(gè)傳感器，測(cè)量運(yùn)動(dòng)參數(shù)。在大腿板和小腿板的相應(yīng)合適位置設(shè)有大腿小腿固定裝置，患者站立好后，使用繃帶綁緊腿部，裝置簡(jiǎn)單，使用方便（）。 三自由度外骨骼式關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)參數(shù)檢測(cè)裝置為了使患者訓(xùn)練時(shí)更加舒適，感覺更真實(shí)，偏癱患者患肢康復(fù)訓(xùn)練的康復(fù)機(jī)器人設(shè)計(jì)了有平行四邊形結(jié)構(gòu)的原地步行系統(tǒng)[18]，（），其運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如下面（）。四連桿原地步行裝置中，步進(jìn)電機(jī)與減速器相連，減速器與磁流變阻尼器相連，為機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)提供驅(qū)動(dòng)力矩或阻尼力矩，并且腳部支撐始終與地面保持平行。在擺動(dòng)相時(shí)，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)四桿機(jī)構(gòu)隨著下肢的運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)，（草圖可見）。在支撐相時(shí)，（），四桿機(jī)構(gòu)為健肢提供足底反力，有效的模擬地面，實(shí)現(xiàn)原地步行訓(xùn)練。 原地步行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖 支撐相運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖 力檢測(cè)裝置力檢測(cè)裝置[19]可以監(jiān)測(cè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)參數(shù)機(jī)構(gòu)與原地步行機(jī)構(gòu)間相互作用力，主要部件有壓力傳感器、彈簧、導(dǎo)桿、外框和踝關(guān)節(jié)軸等。健肢在運(yùn)動(dòng)過程中帶動(dòng)外框動(dòng)，此時(shí)彈簧受壓，壓力傳感器產(chǎn)生信號(hào)，依據(jù)所采集到的信號(hào)進(jìn)行電機(jī)驅(qū)動(dòng)[20]，(）。力檢測(cè)裝置中使用了兩種直線軸承，保證了導(dǎo)桿前后移動(dòng)時(shí)不會(huì)與外框摩擦。對(duì)于偏癱訓(xùn)練康復(fù)機(jī)器人康復(fù)板，其長(zhǎng)度應(yīng)該要符合不同高度病人，要考慮到不同身高的人與他們的大、小腿長(zhǎng)度范圍內(nèi)兼容，以便允許下肢康復(fù)機(jī)器人和患者的下肢匹配。測(cè)量男 性女 性身高15431583160416781754177518141449148415031570164016591697體重4 44 85 05 97 07 5 833 94 24 45 26 36 67 1大腿413428436465496505523387402410438467476494小腿324338344369396403419300313319344370375390表1 人體下肢主要尺寸 根據(jù)表1的數(shù)據(jù)，可以得出中國(guó)成年人的下肢尺寸為：大腿板的尺寸為390520mm，小腿板的尺寸是340420mm，為了方便不同身高的患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，大腿板的長(zhǎng)度設(shè)計(jì)成可以調(diào)節(jié)的，（），長(zhǎng)度的調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單方便。小腿板設(shè)計(jì)也是如此，此處重復(fù)省略介紹。 設(shè)計(jì)腿板時(shí)要注意：一是承受載荷能力，腿部連桿載荷承受能力不僅要考慮其自身的重量，患者的下肢運(yùn)動(dòng)的重量，還要考慮工作中的機(jī)器人系統(tǒng)；二是轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較小、質(zhì)量較輕，提高系統(tǒng)的反應(yīng)速度、減少能耗；三是模塊化的設(shè)計(jì)便于安裝和加工。 康復(fù)機(jī)器人各關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)偏癱患者患肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的健肢機(jī)構(gòu)，腿是主動(dòng)地，靠患者自身運(yùn)動(dòng)，髖關(guān)節(jié)的連接件升級(jí)成類似于一個(gè)軸承座的構(gòu)件4，（），連接件內(nèi)放置軸承，并固定在大錐齒輪軸上，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)連接件自行轉(zhuǎn)動(dòng)不受其他部件的影響。下圖中，1為髖關(guān)節(jié)傳感器固定件，因
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