【導(dǎo)讀】肢體完成一部分動作，稱為機(jī)器人假肢?？祻?fù)機(jī)器人作一種自動化設(shè)備，可?？祻?fù)機(jī)器人由計算機(jī)控制，并配有相應(yīng)的傳感器和安全系統(tǒng)，可以自動。廉價康復(fù)訓(xùn)練效果，根據(jù)病人的實際情況自動調(diào)節(jié)運(yùn)動參數(shù)，實現(xiàn)最佳訓(xùn)練。它直接作用于人體，與人在同一個作業(yè)空間工作，人與機(jī)器人作。為一個整體而協(xié)調(diào)運(yùn)動。痛，減輕社會負(fù)擔(dān)具有重要的實際意義。由于各種原因而患有一側(cè)肢體運(yùn)動?？祻?fù)機(jī)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，民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展發(fā)揮重要作用?？祻?fù)機(jī)器人現(xiàn)在已經(jīng)由科學(xué)幻想走進(jìn)了現(xiàn)實生活之中過去幾年，地面到人站立時達(dá)到的地方，不過，康復(fù)機(jī)器人進(jìn)人市場的過程卻非常緩慢，恢復(fù)走路機(jī)能的目的。手安裝在自主或半自主車輛上。究表明，兒童能通過操作電動輪椅適當(dāng)提高視覺、空間的技能和運(yùn)動能力，瑞士蘇黎世聯(lián)邦工業(yè)大學(xué)的名為LOKOMAT的康復(fù)機(jī)器人。人員的負(fù)擔(dān)，同時還可以是病人能夠運(yùn)動的更加的方便。

　　

【正文】 構(gòu)成多級控制系統(tǒng)，還可以采用多個單片機(jī)分別控制每一個關(guān)節(jié)，然后由工業(yè)PC 機(jī)與多個單片機(jī)進(jìn)行通訊，形成集散控制系統(tǒng)。這些控制方案都可以滿足機(jī)器人的控制要求，但是，不同的計算機(jī)控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度，成本，研發(fā)周期，可維護(hù)性等都是不同的。因此，在選擇控制計算機(jī)時，除了要保證實現(xiàn)系統(tǒng)的基本控制功能，滿足性能指標(biāo)要求，還要綜合考慮其他一些因素，綜合多種因素做出最佳選擇，這些 因素包括： 1. 單件小批量還是大批量生產(chǎn)：對于大批量生產(chǎn)主要考慮生產(chǎn)效率，生產(chǎn)成本和可維護(hù)性，可以考慮設(shè)計專用計算機(jī)控制系統(tǒng)。這樣有利于提高計算機(jī)資源的利用率，降低生產(chǎn)成本，提高系統(tǒng)的可靠性。對于單件小批量產(chǎn)品，在開始階段應(yīng)該盡量選擇通用計算機(jī)產(chǎn)品，以便降低成本，縮短生產(chǎn)周期。 開封大學(xué) 畢業(yè)論文 34 2. 一般工業(yè)產(chǎn)品還是需滿足特殊要求的產(chǎn)品：對一般的工業(yè)產(chǎn)品，成本和生產(chǎn)周期應(yīng)作為主要指標(biāo)來考慮；對軍事，航天，水下等有特殊要求的場合，主要考慮的因素不再是成本和研發(fā)周期，更重要的是可靠性，環(huán)境適應(yīng)性。 3. 產(chǎn)品開發(fā)還是科研樣機(jī) ：對于產(chǎn) 品開發(fā)要考慮將來的生產(chǎn)成本，生產(chǎn)周期，可維護(hù)性等因素。例如，當(dāng)既 可 以 采用集中控制又可采用集散控制是，應(yīng)盡可能采用集散控制計算機(jī)系統(tǒng)；對科研樣機(jī)的研制主要是要研究裝置的工作原理，獲取必要的數(shù)據(jù)，這時應(yīng)該選擇硬件借口、接口資源比較豐富，軟件開發(fā)方便的集中式，速度比較快的專用計算機(jī)系統(tǒng)。如德國生產(chǎn)的Dspace 實時控制系統(tǒng)，它采用雙 CPU 主板，根據(jù)要求可以配置 D/A， A/D，Encoder， I/O 等多種硬件接口，軟件基于 Windows 平臺設(shè)計，可以用 Simulink語言以模塊方式直接編程進(jìn)行實時控制。這 種計算機(jī)系統(tǒng)的優(yōu)點是硬件資源豐富，軟件開發(fā)速度快，兼容性好，對不同的樣機(jī)進(jìn)行控制只要改變少量的引線和編制不同的軟件即可。 4. 工業(yè)產(chǎn)品還是民用產(chǎn)品：對于小型家電，便攜式儀器儀表，需要經(jīng)常移動的機(jī)電一體化產(chǎn)產(chǎn)品；體積，重量，功耗，成本等應(yīng)優(yōu)先考慮，這些產(chǎn)品應(yīng)盡量考慮使用專用的單片機(jī)控制系統(tǒng)或微處理器。對于一般的工業(yè)產(chǎn)品，可靠性應(yīng)作為主要考慮因素。 驅(qū)動機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)總體設(shè)計 整個下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人 總體控制如圖 ， 采用多個單片機(jī)分別控制每一個關(guān)節(jié)，然后由工業(yè) PC 機(jī)與多個單片機(jī)進(jìn)行通訊，形成集散控制 系統(tǒng)。踝關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)是以 AT90S8535 控制單片機(jī)最小系統(tǒng)為核心建立的控制系統(tǒng)。單片機(jī)通過并口接收步態(tài)單片機(jī)的指令，根據(jù)指令驅(qū)動兩個姿態(tài)伺服電機(jī)，對姿態(tài)機(jī)構(gòu)進(jìn)行初始化和位置閉環(huán)控制。兩個伺服電機(jī)驅(qū)動器都是直流伺服電機(jī)控制卡，用來實現(xiàn)姿態(tài)電機(jī)的速度閉環(huán)控制。 姿態(tài)控制單片機(jī)與步開封大學(xué) 畢業(yè)論文 35 態(tài)控制單片機(jī)并口通訊，讀取步態(tài)系統(tǒng)的位置信息，以查表的方式得到位置指令，進(jìn)行位置閉環(huán)的 PID 運(yùn)算，發(fā)出 PWM 信號，經(jīng)過濾波電路的 D/A 轉(zhuǎn)換后成為 0～ 5V 的電壓信號，經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換之后變成－ 10～ 10V ，作為給直流伺服電機(jī)控制器的速度指令 。直流伺服電機(jī)控制器與直流伺服電機(jī)以及編碼器組成了一個速度閉環(huán)，所以姿態(tài)控制系統(tǒng)是一個雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。編碼器的脈沖信號經(jīng)過濾波去噪聲后反饋給單片機(jī)，單片機(jī)通過計算脈沖個數(shù)得出姿態(tài)機(jī)構(gòu)的位置。姿態(tài)控制系統(tǒng)中腳踏板的位置需要進(jìn)行標(biāo)定，行程開關(guān)所處的位置作為腳踏板的初始置，也就是腳踏板的位置零點。 步態(tài)控制單片機(jī) 濾波電路 電平轉(zhuǎn)換 控制器 電機(jī) 編碼器 行程開關(guān) 濾波電路 電平轉(zhuǎn)換 控制器 電機(jī) 編碼器 行程開關(guān) PWM1 AT90S8535 PWM2 圖 康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人控制概圖 開封大學(xué) 畢業(yè)論文 36 第 5 章 機(jī)構(gòu) 的仿真與可行性分析 下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人踝關(guān)節(jié)驅(qū)動系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)設(shè)計完成后，我利用Pro/ENGINEER 軟件對機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動學(xué)仿真，以便 研究機(jī)構(gòu)的模型能否完成預(yù)定的性能要求。 仿真概述 利用 Pro/ENGINEER Wildfire 的機(jī)構(gòu)運(yùn)動仿真功能可以使原來在二維圖紙上的難于表達(dá)和設(shè)計的運(yùn)動變得非常直觀和易于修改，并且能夠大大簡化機(jī)構(gòu)的設(shè)計開發(fā)過程，縮短其開發(fā)周期，減少開發(fā)費(fèi)用，同時提高產(chǎn)品質(zhì)量?？梢酝ㄟ^添加運(yùn)動副，驅(qū)動器使其運(yùn)動起來，以實現(xiàn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動仿真。此外完成機(jī)構(gòu)運(yùn)動仿真后，運(yùn)用機(jī)構(gòu)中的后續(xù)處理功能可以查看當(dāng)前機(jī)構(gòu)的運(yùn)動，并且可以對機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動軌跡、位移、運(yùn)動干涉情況的分析，以便研究機(jī)構(gòu)的模型。 機(jī)構(gòu)仿真與真實的機(jī)構(gòu)很相似。 機(jī)構(gòu)是由構(gòu)件組合而成的，其中每一個構(gòu)件都以一定的方式至少與另一個構(gòu)件相連接，這種聯(lián)接既使兩個構(gòu)件直接接觸，又使兩構(gòu)件能產(chǎn)生一定的相對運(yùn)動。機(jī)構(gòu)仿真 主要包括創(chuàng)建機(jī)構(gòu)和添加驅(qū)動器。其中創(chuàng)建機(jī)構(gòu)的過程與零件的裝配過程極為相似。 機(jī)構(gòu)仿真及結(jié)果分析 圖 由于并不是一個完整的步態(tài)周期的變化曲線，但仍然可以看出踝關(guān)節(jié)角度變化規(guī)律與圖 中的變化規(guī)律極其相似。之所以不同，是由于單位不同，還有仿真時給予伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速與圖 中人的步速是不相同的。因為圖 是按照正常人在正常的情況下的走路速度的曲線。而我們 的康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的步速是按照病人設(shè)計的，給定的速度比較慢，所以兩條曲線看上去不盡相同，但是它們的變化規(guī)律是大致相同的。 機(jī)構(gòu)仿真的結(jié)果是可以實現(xiàn)踏板的俯仰角度（ 30 ），而變化規(guī)律與人體開封大學(xué) 畢業(yè)論文 37 的運(yùn)動規(guī)律是非常相似的，所以這些仿真結(jié)果證明本論文采用的機(jī)構(gòu)方案，策略和仿真程序是合理的，有效的。 圖 仿真角度變化規(guī)律曲線 圖 一個步態(tài)周期踝關(guān)節(jié)角度變化規(guī)律曲線 時間 (s) 角度（ o） 時間 (s) 角度（ o） 開封大學(xué) 畢業(yè)論文 38 結(jié) 論 本文結(jié)合目前國內(nèi)外康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的研究現(xiàn)狀和發(fā)展方向，具體闡述了一種下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人踝關(guān)節(jié)驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計過程。 仿真 實驗 表 明，本課題所研制的下 肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人 踝關(guān)節(jié)驅(qū)動 系統(tǒng)可以實現(xiàn)預(yù)期的 運(yùn)動規(guī)律 。 踝關(guān)節(jié)驅(qū)動 系統(tǒng) 設(shè)計 是整個 下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人 設(shè)計 的一部分。 下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人 踝關(guān)節(jié)驅(qū)動系統(tǒng) 的設(shè)計工作是分以下幾個階段進(jìn)行的： 首先，查閱資料。在設(shè) 計初期，廣泛查詢國內(nèi)外在康復(fù)領(lǐng)域的發(fā)展和最新成果。這一階段就是開題準(zhǔn)備階段，為以后的設(shè)計開闊了視野，提供了設(shè)計思路。 然后 進(jìn)行 的是驅(qū)動 系統(tǒng)的總體設(shè)計。這一階段的工作是確定了機(jī)械本 體和驅(qū)動控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)。為 后 面 的機(jī)械零件設(shè)計和控制系統(tǒng)設(shè)計確定了大的方向。 在這一階段中對于傳動方式的選擇，本文比較了多種機(jī)械傳動的形式，結(jié)合設(shè)計的實際情況，最終選擇了適合本機(jī)構(gòu)的圓柱凸輪機(jī)構(gòu)傳動。 第三階段的工作對姿態(tài)系統(tǒng)機(jī)械本體進(jìn)行詳細(xì)地分析與設(shè)計。 用 Pro/E軟件零件進(jìn)行三維實體造型， 設(shè)計與校核了每一個非標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械零件，并根據(jù)系統(tǒng)的需要對標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行了選擇與校核。 第四 ， 控制系統(tǒng)的設(shè)計。闡述了各種不同的控制方式，提出 一種控制方案。下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人是整體聯(lián)動，控制時踝關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)是一個子系統(tǒng)。 最后一項工作是 系統(tǒng)地對下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人踝關(guān)節(jié)驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動學(xué)分析，并通過 Pro/E軟件 對驅(qū)動機(jī)構(gòu)進(jìn)行動畫仿真和圖形仿真。得出系統(tǒng)可以實現(xiàn)預(yù) 期 運(yùn)動規(guī)律 。 本論文主要是對于踝關(guān)節(jié)驅(qū)動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，對控制系統(tǒng)并沒有做出詳細(xì)的設(shè)計，只是提出了一個總體方案。因此還可以進(jìn)一步詳細(xì)地設(shè)計一套下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的控制方案。 開封大學(xué) 畢業(yè)論文 39 參考文獻(xiàn) [1] 金德文 ， 張濟(jì)川 ． 康復(fù)工程學(xué)的研究與發(fā)展 [J]． 現(xiàn)代康復(fù) ， 2020， ：3135． [2] 高從軍 ， 歐洲康復(fù)機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)況及前景 [J]． 機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用， 1999， ： 3336． [3] 黃靖遠(yuǎn) ， 劉宏增等 ． 康復(fù)工程前景初探 [J]． 生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志 ， 1999， ： 1214． [4] 夏昊昕， 張 立勛，王嵐 ． 下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人 [J]． 應(yīng)用科技 ， 2020， ： 37． [5] 杜志江 ． 康復(fù)機(jī)器人研究現(xiàn)狀 [J]． 中國康復(fù)醫(yī)學(xué)雜志， 202005． [6] 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