下肢康复机器人PPT.ppt

1 2 随着科学技术的发展 ,肢体康复机器人技术作 为机器人技术的一种 ,得到了迅速的发展 。 下肢康 复机器人能够辅助下肢运动功能障碍患者模拟正 常人的步态规律作康复训练运动，从而锻炼患者 下肢肌肉，恢复神经系统对行走功能的控制能力 以及患者正常走路机能。 对脚踏式下肢康复机器人工作空间进行了分析， 提出了脚踏式下肢康复机器人的总体方案，介绍 机器人控制系统。 运用 绘图 软件对机器人主体结构进行 构件 设计 , 阐述了机器人工作原理。分析现有的下肢康复机 器人技术特点，阐明了本脚踏式下肢康复机器人 的技术优点。根据机械设计和机械原理基础知识 为整个下肢康复机器人 结构设计 提供了理论依据。 3 4 1. 康复理论 康复机器人是一种特殊的机器人，它的受用对 象的病人，所以在进行下肢康复机器人研究时必须 了解康复医学知识，懂得运动康复机理。本文对下 肢康复机器人治疗原理进行了分析。 2. 机器人总体设计 根据脚踏式下肢康复机器人的工作空间以及模 拟正常人步态轨迹研究和设计了机器人总体结构。 3.机器人机械结构设计 5 建立了机器人主体机构模型并说明其工作原 理及其创新点 ,同时对机器人主要零部件、主要 连接机构、主要传动进行了 说明 。 4.机器人控制系统研制 分析了康复控制策略 ,确立了集中控制的控 制方式 ,完成了总体 控制平台的搭建。 2.1下肢结构模型 6 人体下肢运动关节主要包括 髋关节、膝关节、踝关节，各关 节运动关系如图所示 ，通过三个 主要运动特性的比较可知，各关 节的共同运动为屈、伸运动。 通过对下肢各关节运动特性 分析，可以建立下肢的简单刚体 模型。 2.2步态分析 7 一个步态周期包括支撑期和摆动期，一侧足跟着地期为支 撑，离地期为摆动期。 支撑期站一个步态周期的 60%，摆动期 占一个步态周期的 40%，其中单侧肢体支撑期占 40%，双侧肢 体支撑期占 20%。 2.3下肢康复机器人总体设计 8 2.2下肢康复机器人总体设计 下肢康复机器人是帮助下肢运动障碍患者进行运动机能恢 复性训练 ,尽可能模拟正常人，使患者下肢的运动功能得到锻 炼和恢复。 首先，下肢康复机器人应该具有合理的结构 ,满足机器人空 间设计要求。 其次，下肢康复机器人应该具有足够的安全性。结构上 ,患 者的下肢运动空间不能与牵引机构的运动空间发生干涉 ,同时 运动机构不能对对患者下肢产生过大的牵引力。最后 ,下肢康 复机器人属于医疗设备范畴 ,应该无噪声、无污染、外观漂亮 , 以利于患者更好的康复训练。 2.4下肢康复机器人的性能指标 1.承载能力应达到 85kg; 2.占地应小于 1平米 3.能康复下肢髋、膝、踝关节 ,具有 6自由度 （ F=3n (2PL +Ph ) n:活动构件数， PL：低副约 束数 Ph:高副约束数 ） 4.能近似模拟正常人行走步态轨迹和脚步位姿 ; 5.能进行主被动训练 6.具有可移动性 ; 7.最高训练次数可到 60次 /每分钟 ; 8.训练器工作时噪音小、无明显震动 2.5 康复机器人总体方案 11 脚踏式下肢康复机器人的总体方案由机器人本体和控制部分 组成 。 机器人本体 :包括步态机构、左脚踝姿态机构、右脚踝姿态机 构和支撑机构 ,两姿态机构位于步态机构两侧 ,对称布置 ,支撑机 构用于定位放置步态机构、姿态机构和控制平台 ; 控制部分 :完成机器人各执行机构的控制功能和机器人状态的 检测 ,同时实现人机界面交互 ,控制机器人速度 ,机器人状态显示 等功能。 脚踏式下肢康复机器人的总体方案由机器人本体和控制部分 组成 。 机器人本体 包括步态机构、左脚踝姿态机构、右脚踝姿态机 构和支撑机构 两姿态机构位于步态机构两侧 对称布置 支撑机 构用于定位放置步态机构、姿态机构和控制平台 控制部分 完成机器人各执行机构的控制功能和机器人状态的 检测 同时实现人机界面交互 控制机器人速度 机器人状态显示 等功能。 12 整个下肢康复机器人是根据人体处于坐姿时膝关节 和脚踝关节屈伸运动时的运动原理，设计一个可以实现 患者下肢六个关节的康复训练机构。步态机构实现整个 下肢的运动 ,姿态机构实现下肢踝关节的位姿运动。 通过功率驱动电路 ,来驱动控制步态机构和姿态机构 的两个电机 ,从而达到驱动控制下肢康复机器人的目的。 选用电动机驱动的驱动方式。步态电机和姿态电机都采 用伺服电机，伺服驱动器总是与其对应的同等功率的伺服电 机一起配套使用。通过脉冲输入接口来接受从上位控制器发 来的脉冲序列，进行速度和位置的控制，通过数字量接口信 号来完成驱动器运行的控制和实时状态的输出 。 14 2.6机械部分总体结构 它由大电机 1、小电机 2、磁粉制动器 3、底座 4、座架 5、把手 6、操作台 7、箱体 8、连杆 9、同步带传动机构 10、踏板 11组成。 2.7 系统控制部分 所述控制系统独立 于 机器人的机械结构，通过数据线与机 器人本体连接在一起， 并 进行康复训练控制，包括硬件和软件 ， 所述硬件部分包括计算机和与其数据线分别连接的显示器， 多 轴 运动控制 卡 ，驱动器、位置传感器和力传感器 ， 所述位置传 感器有四个，分别集成在四个直流 伺服 力矩电机 力 矩电机内， 通过数据线输出 膝关节 和膝关节的运动信息 ， 所述力传感器有 四个 ， 分别安装在所述左、右大腿机构和左、右小是机构的柔 性连接带中，用于通过数据线输出患者 下 肢与机器人之间的干 涉力 。 所述软件包括用户模块 、 实时控制模块和康复 效果评价 模块。 总结 首先根据人体参数和步态轨迹对下肢康复机器人工 作空间进行了分析 ,然后根据康复机器人总体设计要求 设计了总体方案 ,步态机构实现整个下肢的运动 ,姿态机 构实现下肢踝关节的位姿运动。最后设计出脚踏式下 肢康复机器人总体结构。 参考文献 1李军强 ,王娟 ,赵海文 ,等 .下肢康复训练机器人关键技术分析 J.机械设计与制造 ,2013(9):220-223. 2郭素梅 ,李建民 ,吴庆文 ,等 .Lokomat全自动机器人步态训练 与评定系统的应用 J.中国医疗设备 ,2011,26(3):94-96. 3马素慧 ,刘丹 ,郝正伟 ,等 .Lokomat康复训练机器人对脑卒中 患者下肢运动功能恢复的影响 J.山东医药 ,2012,52:52-54 4刘军凯 ,孙宁 ,黄美发 .下肢康复训练机器人步态运动机构设计 J.机械设计与研究 ,2006,22(5):59-62. 5张晓超 .下肢康复训练机器人关键技术研究 D.哈尔滨 :哈 尔滨工程大学 ,2009. 6 Admin.智能化多态下肢平衡功能训练评定系统 EB/OL.2011-12-06. 7 刘更谦，一种下肢康复训练机器人 201010158178河北工 业大学 8 SterrA,FreivoghlS.Motor-improvementfollowingintensivetraininginlow- functioning chronichemiparesisJ.Neurology,2003,61(6):842-844. 9 LiepertJ,BauderH,WolfgangHR,etal.Treatment-induced corticalreorganization are organization after strokeinhumansJ.Stroke,2000,31(6):1210-1216. 10 KrewerC,Rie?K,BergmannJ,etal.Immediate effective ness of single-session therap the rapeuticin tervention sinpusherbehav- iourJ.GaitPosture,2013,37(2):246-250 11 WestlakeKP,PattenC.Pilotstudy of Lokomatver susmanu-al-assistedt read milltraitreadmilltrainingforlocomotorre coverypost- strokeJ.JNeuroengRehabil,2009 12郭素梅 ,李建民 ,吴庆文 ,等 .Lokomat全自动机器人步态训练与评定系统对不完全 性脊髓损伤患者步行功能的影响 J.中国组织工程研究 ,2012,15(13):2324-2327. 13史小华 ,王洪波 ,孙利 ,等 .外骨骼型下肢康复机器人结构设计与动力学分析 J.机 械工程学报 ,2014,50(3):41-48. 14 濮良贵，纪名刚 .机械设计 .高等教育出版社， 2001(6)： 369-374. Lesson Four 21 Thanks