康复机器人的系统设计.doc
《康复机器人的系统设计.doc》由会员分享,可在线阅读,更多相关《康复机器人的系统设计.doc(43页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、第1章绪论1.1概述据报道,我国60岁以上的老年人已有1.43亿,占全国人口的11,到2050年将达成4.37亿。在老龄人群众中有大量的脑血管疾病或神经系统疾病患者,这类患者多数伴有偏瘫症状1。近年由于患心脑血管疾病使中老年患者出现偏瘫的人数不断增多,并且在年龄上呈现年轻化趋势。同时,由于交通运送工具的迅速增长,因交通事故而导致神经心痛损伤或者肢体损伤的人数也越来越多。在美国数以百万计的有神经科疾病病史和受到过意外伤害的患者需要进行康复治疗,仅以中风为例,每年大约有600,000中风幸存者,其中的二百万病人在中风后存在长期的运动障碍。随着国民经济的发展,这个特殊群体已得到了更多人的关注,为了提
2、高他们的生活质量,治疗、康复和服务于他们的产品的技术和质量也在相应地提高。随着机器人技术和康复医学的发展,在欧洲、美国和日本等国家,医疗康复机器人的市场占有率呈逐年上升的趋势,仅预测日本未来机器人市场,2023年医疗、护理、康复机器人的市场份额约为250,000美元,而到2023年将上升到1,050,000美元,其增长率在机器人的所有应用领域中占据首位。因此,服务于四肢的康复设备的研究和应用有着广阔的发展前景2。康复机器人是康复设备的一种类型。康复机器人技术早已广受世界各国科研工作者和医疗机构的普遍重视,其中以欧美和日本的成果最为显著。在我国康复医学工程虽然得到了普遍的重视,而康复机器人研究仍
3、处在起步阶段,一些简朴康复器械远远不能满足市场对智能化、人机工程化的康复机器人的需求,有待进一步的研究和发展。由于康复训练机器人要与人体直接相连,来带动肢体进行康复训练,所以对驱动器的安全性、柔性的规定较高。近年来,以气动元件柔性驱动器逐渐引起人们的重视,在医疗康复器械领域中得到越来越多的应用。本课题的研究目的是设计一种用于脑损伤、中风等病人的步态康复训练系统,帮助病人更好地进行康复训练,减轻别人的帮助,挺高效果。1.2康复机器人的国内外研究现状在对有运动障碍的老人或残疾人进行治疗和康复的过程中,使用康复机器人可以解决好多问题:机器人的使用可以解决专业护理人员缺少和医疗费用昂贵的问题,可以避免
4、由于训练方法不科学和专业护理人员个人疏忽等主观因素引起的对病人的伤害,可供病人在家或工作场合使用,使病人获得更多的独立生活能力,提高了病人的生活质量等。康复机器人是一种自动化医疗康复设备,它以医学理论为依据,帮助患者进行科学而有效的康复训练,使患者的运动机能得到更快更好的恢复。目前,康复机器人已经广泛地应用到康复护理、假肢和康复治疗等方面,这不仅促进了康复医学的发展,也带动了相关领域的新技术和新理论的发展。康复机器人有两种:辅助型康复机器人和康复训练机器人。辅助型康复机器人重要是帮助肢体运动有困难的患者完毕各种动作,该类产品有机器人轮椅、机器人护士、机器人假肢、机械外骨骼等。康复训练机器人的重
5、要功能是帮助患者完毕各种运动功能的恢复训练,该类产品有行走训练、手臂运动训练、脊椎运动训练等。康复机器人是康复医学和机器人技术的完美结合,康复机器人技术在欧美等国家得到了科研工作者和医疗机构的普遍重视,许多研究机构都开展了有关的研究工作,近年来取得了一些有价值的成果。对于中风、偏瘫、下肢运动机能损伤等患者来说,下肢康复训练机器人有着很好的治疗效果。国内外许多研究机构都在这方面取得了不错的研究结果。下肢康复训练机器人发展重要经历了几个阶段。由初期的简朴步行训练机发展到现在功能丰富、符合人体运动机理的下肢康复训练机器人。初期发展的下肢康复训练系统是借助于跑步机、悬吊系统等帮助患者进行运动训练,此种
6、产品结构简朴、价格便宜,但训练过程中必须有专业人员的帮助,并且并不符合人体运动机理,还不能称为康复训练机器人,只能是一种半自动的康复训练机械,如图1.1、图1.2所示。图1.1、图1.2中的步行训练机,它的功能单一、价格便宜,并且需要在专业护理人员的帮助下进行康复训练,这种机械对下肢病情比较轻的病人较合适。 图1.1步行训练机3 图1.2悬挂式步行训练机4随着机器人技术和康复医学的发展,人们对人的行走步态有了比较清楚的结识,开发出了一些符合人体康复需要的产品。德国柏林自由大学(Free University of Berlin)开展了腿部康复机器人的研究5,并研制了MGT型康复机器人样机(图1
7、.3)。瑞士苏黎士联邦工业大学(ETH)在腿部康复机构、走步状态分析方面也取得了一些成果,在汉诺威2023年世界工业展览会上展出了名为LOKOMAT(图1.4)的康复机器人模型。LOKOMAT机器人重要由步态矫正器、先进的体重支持系统和跑台组成。LOKOMAT机器人以使用者为主线,通过对机器人的行为、耐心、合作及运动功能进行评估,建立了一种更为有效的治疗方式,即:机器人先侦测使用者的运动,并且跟随使用者的运营轨迹而不是强制使用者按照预定的轨迹运动,通过机器人的自适应功能,来满足使用者的不同需求,它可以调整训练参数以适合不同患者的需要6。 图1.3MGT型康复机器人 图1.4LOKOMAT机器人
8、 德国柏林的IPK研究所研制的Robotic Gait Rehabilitation,通过一个可编程控制的脚踏板来带动患者实现步态的轨迹模拟,这个脚踏板由直线电机带动实现往复直线运动,脚踏板支撑部分类似于二自由度机械臂,由两个伺服电机驱动7(图1.5)。图1.5robotic gait rehabilitation 系统在实验中美国加州大学伯克利分校的科学家研制出一种机器人称为“伯克利末端外骨骼”(BLEEX)8,BLEEX涉及可以牢牢地固定在使用者脚上但又不会和使用者摩擦的金属支架,以及用来承载重物的背包式外架和动力设备等,这种机器人除了可以帮助正常人增长负载能力外还可以帮助下肢残疾的病人行
9、走,一定限度上恢复下肢功能(图1.6)。图1.6BLEEX日本筑波大学Cybernics实验室的科学家和工程师们,研制出了世界上第一种商业外骨骼机器人(Hybrid Assistive Leg,HAL)9(图1.7),准确地说,是自动化机器人腿:“混合辅助腿”。这种装置能帮助残疾人以每小时4公里的速度行走,毫不费力地爬楼梯。除HAL“混合辅助腿”外,日本还研制成功了一种全身性外骨骼机器人。神奈川理工学院研制的“动力辅助服”9(Power Assist Suit)(图1.8)可使人的力量增长0.5-1倍,使用肌肉压力传感器分析佩戴者的运动状况,通过复杂的气压传动装置增长人的力量。这种装置最初是为
10、护士研制的,用来帮助她们照料体重较大或主线无法行走的病人。现在已有残疾人在这种机器人的帮助下实现了登山运动。图1.7HAL机器人图1.8Power Assist Suit美国NPH研究中心开创了机器人系统量化步行能力和步态失调的研究领域,根据活动依赖神经系统的可塑性,量化和评估模式肌电图在步态等方面的作用,建立数学模型模拟的感觉运动障碍。图1.9为NPH的机器人在实验中。图1.9NPH的机器人在进行实验在我国,康复医疗工程已经得到了普遍重视,康复训练机器人广阔的应用前景将推动康复机器人技术的进一步发展。我国对康复机器人的研究起步比较晚,辅助型康复机器人的研究成果相对较多,康复训练机器人方面的研
11、究成果则比较少。清华大学在国内率先研制了卧式下肢康复训练机器人样机在这项成果中他们采用了虚拟现实技术10。哈尔滨工程大学在康复机器人方面也取得了不错的成果。哈尔滨工程大学研制的下肢康复机器人可以模拟正常人行走的步态、踝关节的运动姿态以及重心的运动规律,带动下肢做行走运动,实现对下肢各个关节的运动训练、肌肉的锻炼以及神经功能的恢复训练。通过获取脚的受力状态、腿部肌肉状态和下肢关节状态等人体的生物信息,协调重心控制系统和步态系统的运动关系,使之与人体运动状态相协调,获得最佳训练效果。图1.10 、图1.11 所示分别为哈尔滨工程大学研制的卧式下肢康复机器人和基于步态姿态控制的下肢康复机器人系统11
12、。 图1.9卧式下肢康复机器人 图1.10下肢康复训练机器人1.3本课题重要研究内容本文“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。课题内容重要涉及:1.步态康复训练系统的结构方案设计及运动学分析,涉及人体行走的步态、自由度的设计、基本参数的选取、整体结构设计等。2.机器人机械本体结构的设计与计算,涉及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。第2章总体方案设计与选择的论证2.1步态分析
13、下肢康复机器人是对有脑损伤、中风等病人进行积极康复训练的自动化机械装置。它可以帮助患者进行运动机能恢复性训练,进行积极式步态训练。正常人在行走时脚在一个步态周期内的运动情况如图2.1所示12。 图2.1步态周期1个步行周期分为两个时期,支撑期和摆动期。支撑期是当脚和地面接触的时间,它占了一个步行周期的62%。摆动期是脚在空中的时间,它占了一个步行周期的38%。足跟接地即进入支撑期,足趾离地进入摆动期。支撑期占步行周期62%(其中单侧肢体支撑期占37%,双侧肢体支撑期占25%),摆动期占步行周期的38%。双侧肢体支撑期中涉及预承重期和摆动前期,各占步行周期12%。各时期划分及有关具体内容如下:(
14、l)双侧肢体支撑期。为双足着地、由双侧肢体支撑体重的时期,又分为被测下肢在前的“前足着地双足支撑期”(预承重期)和被测下肢在后的“后足蹬地双足支撑期”(摆动前期)2个时期。预承重期是从被侧足足跟着地至对侧足趾离地的时期;摆动前期是从对侧足足跟着地至被侧足足趾离地的时期。一侧足的预承重期即为对侧足的摆动前期。(2)单侧肢体支撑期。仅由被测足承担体重的时期,即从对侧足足趾离地至对侧足足跟着地的时期,也是对侧肢体摆动期。(3)摆动期。被测足不接触地面的时期,即从被测足足趾离地至同侧足跟着地的时期,也是对单侧肢体支撑期。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
15、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
16、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131415。 图2.2步行周期内踝关节的角度变化图2.3踝关节力矩变化由图2.2、2.3可知步行时踝关节处力矩的最大值为-120N,角度范围为-2015。由图2.4、2.5可知步行时踝关节处力矩的最大值为60N,角度范围为-700。由图2.6、2.7可知步行时踝关节处力矩的最大值为-80N,角度范围为-2030。为了模拟人体行走的正常步态,更科学合理有效的进行下肢康复训练,所设计的康复机器人下肢各关节的运动(角度、力矩)和人体行走时关节的运动(角度、力矩)应当近似
17、。为本设计就是根据这个原则进行设计的。 图2.4 膝关节的角度变化 图2.5 膝关节的力矩变化 图2.6 髋关节角度变化 图2.7 髋关节力矩变化2.2方案的选择本设计的重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。 图2.8机器人的功能模型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
18、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。姿态控制机构重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重要关节。关节的运动学特性重要涉及两部分:一是关节的活动幅度,二是如何达成这个活动范围。本设计就是根据这个原则进行的。2.2.1自由度的设计此处删减NN
19、NNNNNNNNNNNNNN字 需要整套设计请联系q:99872184。查表的材料的许用挤压应力为30MPa。挤压应力远小于许用挤压应力,销轴的强度满足规定。3.5.5双头螺柱的校核腰部可调结构中的双头螺柱是腰部与外部框架链接的受力部分,重要受到轴向工作载荷F=600N,其拉伸强度条件为: (3.12)其中=28,=250MPa,由公式(3.12)可得:=1MPa,螺柱合格。3.5.6传感器的选取1.角位移传感选择本设计的重要使用者是病人或老年人,所以对关节旋转角度范围的准确性规定比较高。在关节旋转的角度超过给与的范围的时候,可以通过控制系统及时地纠正,避免对患者导致伤害。在检测系统中,传感器
20、是其中重要的环节,它的性能决定了整个传感检测系统的性能。通过性能比较,选择了实心轴编码器ISC3004。它的特点是:可以对各种自动机械的动作进行高精度检测,体积小,重量轻,结构紧凑,安装方便,外径15,轴径3,电缆侧出,安装盘最大外经25。具体组装方式见装配图。2.拉力传感器的选择本设计中人体重量60kg,所以选择拉力传感器选择的型号为JLBZ,量程为1kN。3.6减重系统分析及相关计算1.减重系统分析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。如图3.14所示,人体重量为m,气缸提供的拉力为F
21、0,R为作用在人体的剩余重力,R=mg-F0。图3.14减重示意图设S为减重比例,则R=mg(1-S)。人体行走时重心在竖直平面内上下移动,人体在竖直平面内存在加速度。若F0不为恒力,则人体肌肉提供重心加速度的功不是最小。所以要使减重气缸提供的力F0为恒力。2.减重系统汽缸地选择本设计中m=60kg,S最小为0,则减重气缸提供的最大拉力为R=mg(1-S)=600 N。取气缸的负载率=70%,气缸理论输出力F拉=R=857 N。 由公式(3.6)、(3.7)及气体压力P=0.6MPa,取活塞杆径d=0.3D,D为气缸活塞直径,计算出D=46 mm。选择的气缸参数为缸径50mm,行程50mm。气
22、缸型号为DNG-50-50-PPV-A。3.7本章小结本章是在前几章对总体方案设计的基础上,重要设计计算了各个关节中的零件、各个具体结构。重要的设计计算有:连杆、深沟球轴承、销轴、螺柱,以及驱动器气缸计算校核,以及减重系统的设计计算和传感器的选择。第4章供气与控制系统的设计本章对气缸供气系统进行设计,并简朴介绍控制系统功能主框图和控制系统所需完毕的功能的特点。4.1供气系统的设计4.1.1供气回路设计针对气缸的工作情况,设计气动系统回路如图4.1所示。1-空气压缩机2-后冷却器3-主路过滤器4-空气干燥器5-气罐6-截止阀7-除油器8-除臭器9-空气过滤器10-减压阀11-压力表12-小气罐1
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 康复 机器人 系统 设计
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【精****】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【精****】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。