下肢康复机器人毕业论文
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第1章 绪论
1.1 概述
康复机器人是近年出现的一种新型机器人，它的主要作用有两方面，一是帮助由于疾病而造成偏瘫，或者因意外伤害造成肢体运动障碍的人恢复提高运动能力，称为康复训练机器人是作为一种辅助装置代替失去运动能力的肢体完成一部分动作，称为机器人假肢。康复机器人作一种自动化设备，可以帮助患者进行科学而又有效的康复训练，使患者的运动机能得到更好的恢复。康复机器人由计算机控制，并配有相应的传感器和安全系统，可以自动廉价康复训练效果，根据病人的实际情况自动调节运动参数，实现最佳训练。康复机器人在原理上和工业机器有很大的区别，它也不限于一般的体育运动训练器材。它直接作用于人体，与人在同一个作业空间工作，人与机器人作为一个整体而协调运动。
康复机器人成果包括以下三方面技术：手部康复训练机器人：手及腕部康复训练。手臂康复训练机器人：手臂康复训练。下肢康复训练机器人：行走功康复训练。
康复机器人技术得以传化为产品对于提高患者康复质量，减少患者的病痛，减轻社会负担具有重要的实际意义。由于各种原因而患有一侧肢体运动障碍的患者人数很多，随着生活水平的提高对康复治疗的需求也会越来很大，康复机器人将有很好的市场前景。这项技术在欧美等国家自得到普遍重视，康复机器人成果的转化可能会带动一个新兴的机器人产业的发展，这将对国
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民经济的发展发挥重要作用。
1.2 下肢康复机器人研究现状
1.2.1 康复机器人的生产发展
康复机器人是帮助残疾人解决生活中活动困难的一种工具，它可以在家里或在工作场所使用，使残疾人获得更强的生活能力，并相当大地提高他们的生活质量。康复机器人现在已经由科学幻想走进了现实生活之中过去几年，康复机器人在欧洲已经有所发展，一些欧洲企业在技术开发及投资方面给予了支持目前已有两种康复机器人打人了市场，即Hmdv l及MANus，它们都是欧洲生产的Handy 1有5个自由度，残疾人可利用它在桌面高度吃饭；MANUs是一种装在轮椅上的仿人形的手臂，它有6(或7)个自由度，其工作范围可由地面到人站立时达到的地方，不过，康复机器人进人市场的过程却非常缓慢，许多人仍然把它看作是一项未来的技术 显然，要想在实际生活中很好地利用康复机器人。除了技术因素之外，还受到一些其他因素的影响。
下肢康复训练机器人是根据康复医学理论和人机合作机器人原理，通过一套计算机控制下的走步状态控制系统，使患者模拟正常人的步伐规律作康复训练运动，锻炼下肢的肌肉，恢复神经系统对行走功能的控制能力，达到恢复走路机能的目的。
根据机器人技术的发展水平，一般具有以下三种结构．第一种是彻底结构化的控制平台，类似于桌面工作站，将机械手安装在固定的控制平台上，完成在固定工作空间内的操作；第二种结构是将机械手安装在轮椅上，这样就可以在任何地域使用，但这导致了机械手刚性下降，抓取的精度往往达不到要求，而且这种方法只适合于那些可以用轮椅的人。第三种机构是将机械手安装在自主或半自主车辆上。
下肢康复机器人属于运动训练机器人，下肢康复训练机器人的主要工作任务就是能够模拟真人的步态姿态，来实现对病人下肢的康复训练。在整个机器人的工作过程中，主要是通过机器人的运动来带动病人瘫痪的下肢，使
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其在牵引力的作用下能够完成对正常人的步态的模拟，从而达到对下肢的肌肉锻炼目的，进而达到能够恢复神经系统对行走功能的控制能力，进一步的达到恢复整个行走机能，最终能够是病人进早的在病痛中脱离出来。已有研究表明，儿童能通过操作电动轮椅适当提高视觉、空间的技能和运动能力，同样可以用类似的器械来提高老年人甚至成年人的运动能力。如对运动员运动损伤的康复治疗、针对性辅助训练，以及像宇航员这种特殊职业的模拟训练等。国外在这一领域已经有了较广泛的研究与应用，国内尚处于起步阶段。随着体育和职业教育两大产业的发展，机器人在这一领域的应用前景将十分广阔。
1.2.2 国内外发展现状
1987年，英国Mike Topping公司研制成功了Handy1康复机器人样机，它是目前世界上最成功的一种低价、市售的康复机器人系统，目前正在生产的Handy1机器人由5自由度机器人手臂和新型控制器组成，具有话音识别、语音合成、传感器输人、手柄控制以及步进电机控制能力。Handy1具有很强的通话能力，它可以在操作过程中为护理人员及用户提供有用的信息，所提供的信息可以是简单的操作指令或有益的指示，可以用任何一种欧洲语言表达出来。这种装置可以大大提高Handyl方便用户的能力，而且有助于突破语言的障碍。
MANUS是另外一种进人市场的康复机器人，由荷兰Exact Dynamics公司开发，该手臂具有7个自由度，包括6个旋转自由度和1个机械手。图1.1所示是瑞士苏黎世联邦工业大学（ETH）的名为LOKOMAT的康复机器人。图1.2是美国Rutgers大学踝关节康复训练机器人
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国外关于医学机器人的研究虽然已
取得了不少成就，但离生物机器人还有相当的距离，因此还有很多工作要做。
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图1.2 美国Rutgers踝关节康复训练
机器人
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国内关于这方面的研究较少，主要是集中在假肢领域。国内只有哈尔滨工程大学机点一体化研究所在这领域取得了一定的成果。成功研制出了多功能手臂康复训练机器人，下肢康复训练机器人
复训练机器人，下肢康复训练机器人， 卧式下肢康复训练器等，并获得了专利。
1.3 下肢康复机器人的主要目的及现实意义
研究下肢康复训练机器人，主要是对于要进行下肢康复训练的人来说，下肢康复训练机器人可以控制使其模拟正常人的行走姿态、膝关节和踝关节的协调运动，实现对下肢的康复训练，下肢康复训练机器人可以模拟正常人的步伐规律、锻炼下肢的肌肉，恢复神经系统对行走能力的控制，达到恢复走路机能的目的。从总体上来看，下肢康复训练机器人的总体工作目的就是为了能够使下肢需要进行康复训练的人能够更加方便的，更轻松的达到训练图1.1 ETH的LOKOMA 的目的，对下肢的康复训练起到辅助的作用。 从总体上来看，研究下肢康复训练机器人的最大的受益者就是下肢康复训练有难度的病人，他可以帮助病人进早的从病痛中摆脱出来，及早的恢复健康的身体，这些是研究的直接原因和动力。从另一方面来看，对于下肢康复训练机器人的研究在对以后研究其他的类似康复机器人的时候，他有很多的研究成果都是可以直接被后续的工作所应用的。为其他的研究工作打下了一个很好的基础，为以后的工作的延续提供了一个基础平台。站在医院的角
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度来看，康复机人的研究给他带来了实在的好处。一方面可以减少工作护理人员的负担，同时还可以是病人能够运动的更加的方便。
1.4 关于下肢康复训练机器人踝关节驱动系统设计的分析
1.4.1 下肢康复训练机器人基本结构
下肢康复训练机器人外观结构如图1.3，它由机座、左脚走步状态控制系统、右脚走步状态控制系统、左脚姿态控制系统、右脚姿态控制系统、框架、导轨、重心平衡系统、活动扶手等组成。受训练者的双脚站在走步状态控制系统的脚踏板上，穿好承重背心，背心通过吊缆和机座内的重力平衡机构相连，以平衡受训练者的部分体重，吊缆的长度通过缆长调整机构和缆绳来调整。当机器人开始工作后，走步状态控制系统在计算机的控制下带动受训练者的双腿做走步运动，重心控制系统根据受训者的走步状态，自动计算重心的高低变化，通过吊缆实时调节重心的高低并具有防止摔倒的功能。脚踏板由左右两块踏板组成，它在步态控制装置的
图1.3 下肢康复训练机器人外观结构图 控制下，与重心平衡机构协调工作帮助患者进行走步运动练。步态控制装置主要由主动曲柄、脚踏板(连杆)和滑轮组成。主动曲柄由直流伺服电机控制，脚跟随踏板一起被动运动，形成一个椭圆轨迹，产生与正常人行走轨迹相近的运动轨迹，同时由于脚跟随踏板运动，患者的小腿和大腿处于相应的运动状态。由两套步态装置分别控制两条腿的走步状态，两者之间成180?相位关系，走步的速度通过控制电机的转速来调整，步幅则通过改变主动曲柄的工作半径来调节。脚的姿态控制系统是由直线伺服机构实现的，通过控制脚踏
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