【文章內(nèi)容簡介】 eie Universit228。t Berlin, 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 20xx 年研制成功的機(jī)械式康復(fù)訓(xùn)練器 [912] ( Mechanical Gait Training, 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（如圖 ）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)對患者不同功能狀態(tài)的訓(xùn)練要求，很快就被淘汰了。 圖 康復(fù)訓(xùn)練器原理圖 圖 踝關(guān)節(jié)訓(xùn)練機(jī)器人 美國的 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]， (如圖）。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，安裝比較簡單，但是不能對患者進(jìn)行嚴(yán)格的步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練。 驅(qū)動(dòng)人體盆骨 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，是用一對三自由度氣缸作為驅(qū)動(dòng)裝置，對人體骨盆進(jìn)行控制。該 PAM 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。 本課題主要研究內(nèi)容 河北工業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科畢業(yè)論文 8 對于偏癱患者，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： rad/s （ 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 初步設(shè)計(jì)構(gòu)想 健肢運(yùn)動(dòng)檢測裝置，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)置了力檢測裝置，（如圖 ）。 圖 草圖 河北工業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科畢業(yè)論文 9 工作安排 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]。患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練時(shí)，健肢側(cè)機(jī)構(gòu)能夠檢測患者健肢的各關(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。 健肢機(jī)構(gòu) 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 力檢測裝置 ，（ 如圖 ） 。 河北工業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科畢業(yè)論文 10 圖 健肢側(cè)機(jī)構(gòu) 外骨骼式關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)參數(shù)檢測裝置 健肢運(yùn)動(dòng)檢測裝置，（如圖 ）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，裝置簡單 ，使用方便（如圖 ）。 圖 三自由度外骨骼式關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)參數(shù)檢測裝置 圖 腿部固定裝置 平行四邊形 結(jié)構(gòu)的原地步行機(jī)構(gòu) 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)器人河北工業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科畢業(yè)論文 11 設(shè)計(jì)了有平行四邊形結(jié)構(gòu)的原地步行系統(tǒng) [18]，（ 如圖 ），其運(yùn)動(dòng)簡圖如下面（如圖 ）。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) ， （如圖 ）， 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。 圖 原地步行機(jī)構(gòu) ABCDxyoθ A 1B 1C 1 圖 原地步行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖 圖 支撐相運(yùn)動(dòng)簡圖 河北工業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科畢業(yè)論文 12 力檢測裝置 力檢測裝置 [19]可以監(jiān)測關(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，依據(jù)所采集到的信號進(jìn)行電機(jī)驅(qū)動(dòng) [20]， (如 圖）。力檢測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。 圖 力檢測裝置 人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì) 對于 偏癱訓(xùn)練康復(fù)機(jī)器人 康復(fù)板 ，其 長度 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。 測量 男 性 女 性 身高 1543 1583 1604 1678 1754 1775 1814 1449 1484 1503 1570 1640 1659 1697 體重 4 4 4 8 5 0 5 9 7 0 7 5 83 3 9 4 2 4 4 5 2 6 3 6 6 7 1 大腿 413 428 436 465 496 505 523 387 402 410 438 467 476 494 小 324 338 344 369 396 403 419 300 313 319 344 370 375 390 河北工業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科畢業(yè)論文 13 腿 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，大腿板的長度設(shè)計(jì)成可以調(diào)節(jié)的，（ 如圖 ）， 長度的調(diào)節(jié)簡單方便。小腿板設(shè)計(jì)也是如此，此處重復(fù)省略介紹。 圖 大腿調(diào)節(jié)板 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) 髖關(guān)節(jié) 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)的連接件升級成類似于一個(gè)軸承座的構(gòu)件 4，（如圖 ），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?yàn)閭鞲衅鞴潭ú糠中枰潭ㄔ诓晦D(zhuǎn)的地方，所以用螺釘把 1固定在 5 上。 2 就是傳感器。 3 是聯(lián)軸器，連接了傳感器軸與髖關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)軸，便于測量運(yùn)動(dòng)參數(shù)。髖關(guān)節(jié)與大腿板的連接件，（ 如圖 ） 使用螺釘把軸承端蓋固定在河北工業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科畢業(yè)論文 14 連接件上，其螺紋孔的軸線 與螺紋孔 2 對齊。連接了大腿板與連接件的螺釘?shù)妮S線與螺紋孔 1 對齊。 圖 髖關(guān)節(jié) 圖 髖關(guān)節(jié)連接件 膝關(guān)節(jié) 膝關(guān)節(jié)的連接需要連接大腿調(diào)節(jié)板和小腿連接板，并且要保證膝關(guān)節(jié)的自由度的實(shí)現(xiàn)，（如圖 ）。大腿調(diào)節(jié)板是用螺栓 1 與膝關(guān)節(jié)連接板固定在一起，小腿調(diào)節(jié)板與膝關(guān)節(jié)連接板的固定也是一樣，使用螺栓 2進(jìn)