机械5

本文“基于姿态控制步态康复训练系统的设计”的研究目的是设计出一种可以辅助下肢有运动功能障碍的老人或残疾人进行功能恢复训练的康复机器人，工作重点是机器人机械本体的结构设计，要考虑安全性、可靠性、柔顺性，同时进行了气动控制系统的设计。课题内容主要包括： 1.步态康复训练系统的结构方案设计及运动学分析，包括人体行走的步态、自由度的设计、基本参数的选娶整体结构设计等。 2.机器人机械本体结构的设计与计算，包括姿态控制结构设计和减重结构设计。 3.机器人驱动器的供气控制系统的设计。 步态各重要阶段动作: (1)脚后跟受:一般的步态历程，最开始的动作为右脚接触到地面的瞬间，也就是后脚跟刚与地面接触的动作； (2)前脚完全承载:在脚后跟受力后，脚掌渐渐贴附地面，直到脚掌完全贴合地面，此刻即为前脚完全承载； (3)支撑段中期:当右脚完全程载后，左脚开始摆动，摆动后右脚瞬间的动作即为支撑段中期； (4)脚后跟离地:左脚摆动过右脚后，右脚后跟离开地面的动作成为脚后跟离地； (5)脚指离地:右脚后跟离地后，紧接着脚尖离地，此时即为右脚离开地面的瞬简，我们称之为脚指离地，由于它是右脚摆动前的动作，所以也称为预先摆动； (6)摆动中期:右腿摆动过左腿的瞬间动作，此时的动作为支撑段中期。 在一个步态周期的各个时间点，各个关节的角度和所受到的力矩不同。下面从图2.2～图2.7显示了一个75kg的人以1.3m/s的步行速度在平地上走时，髋关节、膝关节、踝关节三处关节在一个步行周期内不同阶段的转角和力矩变化。 本设计的主要工作是设计出一个下肢有六个自由度（下肢每一条腿有3个自由度）的康复机器人及其相应的框架和减重机构（一个自由度），然后绑在人腰部和下肢上，分别带动髋关节、膝关节和踝关节的运动，从而训练相应部位的肌肉，帮助使用者恢复下肢的运动功能，机构模型如图2.8。它由减重机构、姿态控制机构、运动平板等组成。 减重机构可以承担患者的一部分体重，减轻病腿的负荷，还可以调节人体的重心上下浮动。减重机构在人体行走时提供的是一个恒力，它由一个气缸通过滑轮驱动。 运动平板通过电机驱动，能调节速度，使适应人体行走的不同速度需要。 姿态控制机构主要模仿人体下肢关节的功能结构。由气缸驱动的仿人体下肢带动人体下肢运动。关节是人体运动的枢纽，是传递载荷、保持能量、协助运动的重要器官。关节长期制动，会使肌肉的破坏负最大载下降，能量储存也会明显减少，最终会导致肢体的完全瘫痪。用关节运动来带动肌肉进行收缩运动，可以恢复和保持肌肉的收缩功能。髋肩关节、膝关节、踝关节是人体下肢关节中的三个主要关节。 关节的运动学特征主要包括两部分：一是关节的活动幅度，二是如何达到这个活动范围。本设计就是根据这个原则进行的。