（机械电子工程专业论文）步态训练机器人骨盆控制机构研究.pdf

c l a s s i f i e di n d e x ： u d c ： 弋 4 一 、 i i i ii ii lll l l l lll l lli i i 18 0 8 8 4 5 ad is s e r t a ti o nf o rt h ed e g r e eo fm e n g r e s e a r c ho np e l v i s c o n t r o lm e c h a n i s mo f g a i tt r a i n i n gr o b o t c a n d i d a t e ：b io i u ji s u p e r v is o r ：p r o f z h a n gl i x u n a c a d e m i cd e g r e ea p p li e df o r ：m a s t e ro fe n g i n e e r i n g s p e c i a l t y ：m e c h a n i c a l e l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g d a t eo fs u b m i s s i o n ：d e c 2 0 0 9 d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ：m a r 2 0 1 0 u n i v e r s it y ：h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y 鼍 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：牦秽m 日期：奠口，口年弓月压日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文瓣授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：膨导师( 签字) ：易给磁多 日期：如冈年弓月日伽年名月佃 i 协 叠 哈尔滨t 程大学硕十论文 摘要 疾病、老龄化、外伤以及交通事故等，都会给人的肢体留下不同程度的 后遗症，给患者及其家庭带来不同程度的麻烦。而对其进行康复机器人的辅 助训练，恢复其肢体的运动机能也是众多学者多年以来的研究方向。 步态训练机器人主要是用于康复人体行走功能为目的的，但大多是以康 复下肢为主要手段，而忽略了骨盆运动的重要性。人体的盆部上连腰椎下接 双腿，是运动过程中的一个重要坏节。协调的骨盆运动，是掌握正确步态的 关键。临床实践证明通过盆训练能够显著提高患者下肢的步行能力，因此在 步态训练过程中对人体盆部进行一定的康复训练，对患者恢复良好的运动状 态是必要的、可行的。 本文根据目前有关人体骨盆运动轨迹的研究现状，提出了一种四自由度 骨盆控制机构的总体设计方案，并应用p r o e 三维设计软件进行了骨盆控制 机构运动平台的总体结构设计，同时提出了一种骑坐方式的悬挂式重力支撑 系统。 本文所设计的四自由度机器人只有三个驱动源，属于欠驱动运动机器人。 因此，对无驱动运动方向提出了两种约束方法，分别为对中弹簧不完全约束 法和绳索半驱动约束法。利用s i m m e c h a n i c s 构建的仿真模型进行了上述两种 方法的控制仿真实验，理论上验证了两种方法的可行性。基于理论研究，通 过d s p a c e 实时仿真平台进行了实验样机的半物理仿真实验研究，证实了理 论分析的正确性和方法的实用性。完成了骨盆驱动机构的控制实验，系统运 行平稳，跟踪误差达到设计目标，验证此骨盆控制机构设计的合理性和正确 性。 关键词：骨盆控制机构；康复；控制仿真；半物理仿真；实验研究 i “ 嬉 哈尔滨t 程大学硕十论文 a b s r t a c t b l n e s s ，a g i n g ，p h y s i c a lt r a u m aa n da c c i d e n t sa r ef a c t o r sl e a d i n gt ov a r i o u s l e v e lh a r m st op e o p l e sl i m ba n dm a k i n gp e o p l es u f f e r i n gd i f f e r e n t l y s ot h e a s s i s t a n tt r a i n i n gr o b o th e l p i n gt or e c o v e rf r o mt h i ss u f f e r i n gi sah o tr e s e a r c h t o p i ci nt h ea c a d e m i cc o m m u n i t y g a i tt r a i n i n gr o b o ti sm a i n l yu s e dt oh e l ph u m a nb e i n g sr e g a i nt h ea b i l i t yo f w o r k i n g n o wm o s tr e s e a r c hw o r kf o c u so nl o w e rl i m b s ，i g n o r i n gas i g n i f i c a n t f a c t o r ：t h ep e l v i s h u m a n sp 6 l v i s ，w h i c hc o n n e c t sl u m b a rv e r t e b r aa n dl e g s ，p l a y s a ni m p o r t a n tr o l ei nm o t i o n ，s oh a r m o n i o u sp e l v i sm o v e m e n ti st h ek e yp o i n to f m a s t e r i n gr i g h tg a i t c l i n i c a lp r a c t i c e sp r o v e dt h a tp a t i e n t sl o w e rl i m bw a l k i n g a b i l i t y c o u l db cp r o v e db yp e l v i st r a i n i n g c o n s e q u e n t l y , i t sn e c e s s a r ya n d r e a s o n a b l et op r o v i d et h ep a t i e n tw i t ht h ep e l v i st r a i n i n gt r e a t m e n td u r i n gt h e p r o c e s so fg a i tt r a i n i n g t h i sp a p e rp r e s e n t st h eo v e r a l ld e s i g no fp e l v i cc o n t r o lm e c h a n i s mw i t h 4 - d o fb a s e do nt h ec u r r e n tm o t i o nt r a j e c t o r yr e s e a r c ho ft h eh u m a np e l v i s a n d t h ep l a t f o r mf o rp e l v i st r a i n i n gs y s t e mi sd e s i g n e d i na d d i t i o n ，as u s p e n s i o n s y s t e mf o rs u p p o r t i n gt h eg r a v i t yb yr i d i n gi sp r o p o s e d r o b o tc o n c e r n e di nt h i sp a p e ro n l yh a st h r e ea c u t a t o r sw h i l ed o fi sf o u r w h i c hm e a n st h i sr o b o ti sc a t e g o r i z e di n t ot h eu n d e r - a c t u a t e ds y s t e m t h e r e f o r e t w oc o n s t r a i n ta p p r o a c h e s ，n of u l l yc o n s t r a i n t so nt h em i d d l es p r i n ga n dh a l f d r i v e nc o n s t r a i n to nt h er o p ea c t u a t o r si nt h ed i r e c t i o no ff r e em o t i o n ，i sa d o p t e d t os o l v et h eu n d e r - a c t u a t o rp r o b l e m t h o s et w oa p p r o a c h e si sv e r i f i e db yt h e s i m u l a t i o nu s i n gt h es i m m e c h a n i c s b a s e do nb o t ht h e o r e t i c a la n a l y s i sa n d s e m i p h y s i c a ls i m u l a t i o nb a s e do nt h ep l a t f o r mo fd s p a c e r e a l - t i m es i m u l a t i o n s y s t e m ，t h et h e o r yi sp r o v e na n da p p r o a c h e sa r ee f f e c t i v e a l s ot h er e s u l t so ft h e e x p e r i m e n t a lw o r ki nc o n t r o l i n gt h ep e l v i c - d r i v e nm e c h a n i s ms h o wt h a t t h e s y s t e mi ss t a b l e a n dt h et r a c ke r r o r s a r ei nt h ea l l o w a n c e ，w h i c h g i v et h e r a t i o n a l i t ya n dc o r r e c t n e s so fp r o p o s e dp e l v i cc o n t r o lm e c h a n i s m 卜 口 哈尔滨。r 程大学硕十论文 k e y w o r d s ：p e l v i s c o n t r o lm e c h a n i s m ；r e h a b i l i t a t i o n ；c o h a r d w a r e - i n - t h e - l o o ps i m u l a t i o n 哈尔滨t 稗大学硕十论文 目录 第1 章绪论1 1 1 概j i ! 1 1 2 课题研究现状2 1 2 1 国外研究成果3 1 2 2 国内研究成果7 1 3 课题主要完成工作：9 第2 章机器人机构方案与设计1 0 2 1 前言一1 0 2 2 骨盆控制机构原理及设计要求1 0 2 3 结构设计1 2 2 3 1 骨盆驱动机构1 2 2 3 2 欠驱动部分的选择配型1 3 2 3 3 骨盆支架的设计1 5 2 3 4 减重装置的选定1 6 2 3 5 最终整体结构设计1 8 2 4 电动缸的选型与设计1 8 2 5 静力学承载分析2 0 2 5 1 承重杆的静力学分析2 0 2 5 2 重力支撑座的分析。2 2 2 5 3 骨盆架支座分析2 3 2 6 电机选型2 3 2 7 本章小结2 5 第3 章机器人控制建模与仿真2 6 3 1 前言2 6 哈尔滨一：稃大学硕十论文 3 2 骨盆控制机构控制原理2 6 3 3 驱动控制系统建模2 8 3 3 1 电机控制模型2 8 卜 3 3 2 机构仿真模型2 9 ： 3 4 骨盆控制机构的控制仿真3 3 3 4 1 对中弹簧连接方式3 4 3 4 2 绳索半驱动方式3 7 3 5 本章小结4 0 第4 章骨盆机构控制实验研究4 1 4 1 前言。4 1 4 2 整体控制方案4 1 4 2 1 控制方案的选择4 1 4 2 2 控制方案设计4 2 4 3 机构控制实验4 5 4 3 1 单电机伺服测试实验4 5 4 3 2 位置标定实验4 9 4 4 骨盆驱动机构控制实验5 3 4 4 1 完全欠驱动5 4 4 4 2 对中弹簧不完全约束法实验5 5 4 4 3 绳索半驱动约束法实验5 8 4 5 本章小结6 1 结论一6 3 参考文献6 4 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果6 8 致 射6 9 哈尔滨t 杵人学硕十论文 第1 章绪论 1 1 概述 人的一生，都可能有各种各样疾病的困扰或者交通事故等造成的神经性 损伤以及肢体的损伤，虽然现在的科技发展迅速，具有了较高的医疗水平， 人们都可以得到最好最有效的救助，使很多疾病与事故已不再威胁到人的生 命安全，但是还会给人的肢体留下不同程度的后遗症，给患者及其家庭带来 不同程度的麻烦。 ， 脑卒中( s t r o k e ) ，人们通常称作中风，严重者表现为偏瘫、失语、昏迷 甚至死亡，致残率极高。2 0 0 9 年1 0 月在北京举行的第2 0 届长城国际心脏病 学会议暨第十五届国际心血管药物治疗大会上，3 0 0 0 余名学者、医生和专家 联合呼吁，要控制我国2 6 0 0 多万的脑卒中高危人群，国家和地方政府就应在 政策上予以扶助。世界卫生组织调查结果显示：中国脑卒中发病率排名世界 第一，比美国高出一倍。近二十年监测结果显示，脑卒中年死亡人数逾2 0 0 万，年增长速率达8 7 。脑卒中除了高致死率外，还具有高致残率和高复发 率的特点，严重威胁国民的生命、健康及其生活质量。据全国心血管专业委 员会的调查，全国存活的脑卒中患者有3 4 患有不同程度的残疾，这些正值 盛年的残疾人给家庭和社会带来了巨大的经济负担和社会问题1 1 l 。 我国和世界上许多国家一样，正在步入老龄化。来自民政部社会福利和 慈善事业促进司的最新统计显示，截至目前，中国老年人口有1 6 2 亿，占总 人口的1 2 7 9 ，并且从今年开始我国老龄化进入快速发展阶段，老年人口将 年均增加8 0 0 万人至9 0 0 万人。预计到2 0 2 0 年，我国老年人口将达到2 4 8 亿，老龄化水平将达到1 7 。到2 0 5 0 年进入重度老龄化阶段，届时我国老 年人口将达到4 3 7 亿，约占总人口3 0 以上1 2 1 。而在老龄人群中有大量的心 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。目前患心脑 血管疾病的中老年出现偏瘫的人数不断增多，而且年龄上呈现年轻化趋势。 医学理论和临床医学证明，这类患者除了早期的手术治疗和必要的药物治疗 外，正确的、科学的康复训练对于肢体运动功能的恢复和提高起到非常重要 的作用1 3 1 ，尽早介入康复训练不仅能够维持关节活动度、防止关节挛缩，而 且能够明显提高患者运动功能的最终康复程度。通常这些患者的康复训练需 1 哈尔滨下秤人硕十论文 要有人帮助4 能进行，由于专业护理人员的缺乏和医疗费用等问题，多数患 者选择了在家旱自行进行训练，但由于训练方法不够科学和训练量的不足， 很多患者错过了最佳恢复时间，许多人因得不到有效的康复训练而逐渐丧失 了肢体的活动能力1 4 】。这样给患者带来巨大的痛苦，也给其家人和社会造成 了很大的负担。 除了疾病和老龄化以外，由于外伤和交通事故的增多，截瘫患者也随之 增多。虽然先进的急救技术使得脊髓损伤患者的死亡率大为降低，但大量患 者还是有不同程度的瘫痪。由于长期卧床，导致压疮、尿路感染和心肺等并 发症反复发作，生存质量急剧下降，晚期患者往往死于各种并发症，因此， 帮助这些截瘫患者重新站立和行走是极其重要的。这些患者需要进行康复训 练和护理，才能够保证肢体的康复，不至于肌肉老损或坏死嘲。康复机器人 技术转化为机器人产品，对于提高患者的康复质量、减轻社会负担具有重要 的实际意义【6 l 。由于各种原因而患有肢体运动障碍的患者人数增多，对康复 治疗的需要也会越来越大，康复机器人将有很好的市场前景。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，这将对国民经济的发展 发挥重要作用1 7 1 。 1 2 课题研究现状 在国际上，康复工程被定义为：研究运用工程技术手段提高残障人士生 活质量的生物医学工程( b m e ) 分支学科。它是现代科学技术与人体康复需 求相结合的产物，亦是工程技术与康复医学相互渗透形成的新兴交叉学科， 其任务是研究与开发人体功能评估、诊断、恢复、代偿以及重残者护理所需 的各种设施 s l 。在传统的医疗康复训练中，常利用水的浮力进行水中步行或 者利用一些辅助器具如拐杖、步行器等来帮助患者步行，但是这些方法都存 在着很多不足之处，例如水中运动需要特殊的环境、拐杖或助行器需要患者 用上肢支撑，造成步行时身体姿态异常等 9 1 。康复机器人是工业机器人和医 用机器人的结合，从其最初尝试至今已有四十余年的历史，其主要功用在于 帮助残疾人以及活动有障碍的人获得更强的独立生活能力，提高他们的生活 质量。目前，康复机器人的研究主要集中在康复机械手、医院机器人系统、 智能轮椅、假肢和康复治疗机器人等几个方面0 0 - i l l 。 就下肢康复医疗机器人而言，近年来，减重步态训练法( p a r t i a lb o d y 2 哈尔滨t 程大硕十论文 w e i g h ts u p p o r tt r e a d m i l lt r a i n i n g ，p b w s t - f ) 在临床上对运动障碍患者的康复训 练应用越来越广泛。临床实践证明，在恢复步行能力和纠正步态方面，这种 方法比传统方法更具有优势p 2 - 1 a ) 。 减重步行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， 通过减重吊带使患者步行时下肢负重减少，并通过牵引患者大腿和小腿协调 摆动或驱动患者足部模拟步行过程中踝关节的运动轨迹来控制走步状态，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。也可用于因车祸或者 意外事故造成肢体损伤的患者做康复训练和老年人的健身锻炼。利用机器人 进行步行康复训练，不仅减轻了治疗师的工作强度，而且步行训练参数重复 性好，时相指标可以准确设定，能够有效加快康复进程，提高疗效p 4 - 1 5 l 。 1 2 1 国外研究成果 图1 1 康复训练图1 2 机器人主体图 瑞士苏黎世大学医院瘫痪研究中心研制的l o k o m a t 是用于有运动损伤、 脊椎损伤等患者康复的康复机器人【1 6 1 。它通过安装在机器人上的传感器采集 患者的运动信息，经过控制系统的处理分析反馈给机器人，从而使患者不是 完全地被动接受康复训练机器人的强制训练，有利于康复者达到更好的康复 效果。图1 1 为康复过程中，患者接受康复机器人训练的图片。目前l o k o m a t 系统已经较广泛的应用于康复医疗领域，通过l o k o m a t 系统的增强反馈训练 法给患者进行日常生活中的连续不断的重复性训练，可以大大减轻治疗时的 体力劳动强度、减少人工协助步态治疗的困难，并且利用动态低惯性悬挂系 3 哈尔滨t 稃人学硕十论文 统可以精确地减少患者体重，使患者在最佳感觉刺激f 走出比较符合生理特 点的步态。 加州大学欧文分校的研究人员设计了一种利用一对三自由度气缸作为驱 动装置的骨盆辅助机械手( 州) 对人体盆部进行控制旧。该p a m 具有5 个自由度( 3 t 2 r ) ，通过对三并联气动缸调节来控制骨盆架两端的位置达到 预期实验效果，并且该机器人采用了悬挂式重力支撑系统( b w s ) 来减轻患 者腿部所承受的重力，以便于被康复者完成最佳的训练效果。下图1 3 所示 为实验人员进行数据采集分析过程，可以看到他们的b w s 系统依然是传统 的束缚上身，以两臂腋下为主要受力支撑。 图1 3 骨盆辅助机器人图1 4 骨盆矫形器三维效果图 图1 5 骨盆矫形器图1 6 骨盆部位结构 瑞士洛桑联邦综合理工学院设计研制的骨盆矫形器i l s - 1 9 1 是一种六自由度 4 哈尔滨t 样人学硕十论文 的训练装置，利用电机驱动，在每个驱动轴上装备有两个位置编码器( 相对 和绝对的) 和一个力传感器，图1 4 为骨盆矫形器的三维效果图，较细致的 介绍了各个电机的驱动方向。从图1 5 和图1 6 可以看出，这种康复机器人还 是以康复骨盆为主，没有帮助人迈步的辅助机构，而且从整体外形以及驱动 方面来看，此样机的体积偏大、行动较为笨拙。 新加坡南洋理工大学和陈笃生医院共同研发的康复机器人1 2 0 - 2 1 是以外骨 骼机器人为主，同时对人体盆部具有一定控制的机器人。对于骨盆部位的控 制，他们提出了一种利用一对平行四边形支撑的骨盆控制机构( c o n c e p to f p e l v i cc o n t r o lu s i n gp a r a l l e l o g r a ma l - g l ，简称为p a ) 的方式，如下图1 7 所示。 该机构每一个平行四边形支撑架由两个电机驱动，两个电机分别控制平行四一 边形的相邻两杆( 图1 7 的a 图所示) ，通过调节两杆的夹角使四边形的输出 端达到预定位置。 两电机 安装位置 ( a ) 四杆驱动原理( b ) 骨盆控制结构 图1 7 骨盆部位控制原理图 现在所熟知的是患者在跑步机上的训练模式，但目前还不清楚如何将跑 步机上的步态转化为陆地上行走的步态，毕竟在跑步机上是“地面 在做主 动运动，而且人处于一种相对静止状态，自身的惯性无法影响到正常的行走 状态。因此，他们提出了一种悬空步态训练法( o v e r - g r o u n dw a l k i n g ) ，将患 者的全部重量施加到外骨骼机构上，在训练过程中，患者的双足悬空行走， 由运动平台提供前进的速度，使患者能够真实的感受到行走的过程。下图1 8 所示为实验人员进行康复训练模拟实验，在进行康复训练过程中双脚一直悬 5 哈尔滨t 仃c t l 人 硕十论文 空。图1 9 为样机的实物图。 图1 8 康复训练实验图1 9 康复机器人样机 美国芝加哥大学研制的康复机器人k i n e a s s i s t ，是一款以帮助偏瘫患者 或行走不便的患者进行多重锻炼而设计的机器人1 2 2 1 。通过对患者骨盆重心的 控制，实现起坐、下蹲、防止意外摔倒等康复训练，是一种实用性很强的康 复产品。 图1 1 0 步行训练图1 1 1k i n e a s s i s t 样机 在室内外患者都可以利用该机器人进行行走、起坐、下蹲等训练内容。 但是由于该机器人没有动力源，所以使用此产品的患者必须具有一定的行走 能力，并且具有一定腰部力量使上半身能够保持直立。图1 1 0 所示为患者在 康复医师的指导下，运用该机器人进行步态行走训练，在患者行走过程中， 6 哈尔滨l ：程大学硕十论文 机器人通过辅助患者锰部以及上体的运动来协调患者的行走步伐以及自身的 稳定性。在患者失去平衡而摔倒时，这款康复机器人还可以及时的承担起人 体全部重量，将患者悬空吊起，以避免患者失足摔伤等危险状况的发生。图 1 1 1 为k i n e a s s i s t 样机，它的减重支撑装置与以往的有所不同，通过背部的 主力装置提拉人体的胯部和双臂使患者达到训练过程中的减负。 如图1 1 2 所示为k i n e a s s i s t 盆部控制机构及背部助力装置机构。骨盆控 制机构具有向前后、左右移动以及绕三个坐标轴的转动的5 个自由度，背部 助力装置机构具有对盆部提升、上体前倾、上体转动以及左右摇摆等4 个自 由度，即整个康复机器人训练装置共有9 个自由度，可以满足患者在运动空 间里自如的运动，以保证患者训练时的充分性，达到最佳的康复锻炼的效果。 图1 1 2 盆部控制机构及背部助力机构 1 2 2 国内研究成果 康复机器人技术是多学科为一体的新型交叉研究领域1 2 3 1 。而且国内外康 复训练机器人领域的研究起步都比较晚，尚属医工结合的开拓性领域，尤其 在临床实践方面尚需很多工作要做幽而国内对康复机器人的研究起步更晚， 康复训练机器人方面的研究成果比较少，辅助型康复机器人的研究成果相对 较多，但多以简易型康复训练器械的产品为主，大都还没有实现完全的智能 化阁。因此，在如此优越的契机下，应加大该方面的研发工作。目前，国内 在该领域进行研究的主要有清华大学、上海交通大学、复旦大学、哈尔滨工 业大学、哈尔滨工程大学等。 7 哈尔滨t 稃大学硕十论文 图1 1 3g r t s 步态训练机器人图1 1 4 下肢康复自动步态矫正器 清华大学自1 9 8 1 年开始便从事康复工程学研究，清华大学精密仪器系康 复工程研究中心在国家自然科学基金和国家科技支撑计划支持下正在研究 ( g a i tr e h a b i l i t a t i o nt r a i n i n gs y s t e m ，g r t s ) 步行康复训练机器人1 2 6 1 ，如图1 1 3 所示。g r t s 采用关节直接驱动方式，电机驱动器直接安装于机械腿髋、膝 关节处，通过控制髋和膝电机的协调转动完成步行动作。 上海大学研究了一种步态支具( p g o ) 2 7 1 ，如图1 1 4 所示，每个p g o 具有2 个自由度，对应髋、膝关节的屈伸，由电机驱动，它绑缚在人腿上， 设计的最大支撑力为1 0 0 0 n 。它可用于患者在跑步机上进行步行训练，通过 步态规划，能够模拟正常人的步态轨迹，同时实现减重控制，仿真结果验证 了系统的有效性。国内专利成果：偏瘫助行器，主要用于偏瘫患者，无减 重措施，且无动力源，车体的移动是人行走带动；中风患者康复机1 2 9 1 ，是人体 以坐姿状态进行下肢康复训练等。 哈尔滨工程大学机电体化实验室一直致力于康复机器人领域的研究， 并取得一定的研究成果。图1 1 5 为多功能助行机器人1 3 0 l ，它采用的是双差动 轮驱动，残疾人可以随着机器人的前行而进行走步锻炼。腿部行走机构根据 曲柄摇杆原理，模拟人走步时的大腿末端轨迹，随着机器人移动，行走机构 给予残疾人腿部一定的推力，帮助残疾人双腿实现迈步动作，使残疾人更好 的完成走步训练。基于绳驱动重力平衡系统，可实现减重训练、起坐训练等 功能。此类型机器人已经进行了第二代的实验阶段，有望成为一款成熟的产 品。图1 1 6 为下肢康复训练机器人1 3 1 j ，它可是模拟正常人行走、上下楼梯、 跑步、踏步等步态训练，帮助偏瘫、肢体运动障碍患者恢复行走运动机能， 并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康复训练。 8 图1 1 5 多功能康复机器人图1 1 6 下肢康复机器人 国内康复训练类的机械产品以及康复机器人虽然有了不少，而针对于人 体盆部的却可谓罕见，对于人体盆部的康复训练机器人的研究就更是少之又 少了，随着医学领域与康复医疗工程的逐渐渗透，康复机器人领域将逐步重 视起人体盆部在患者康复过程的重要性：根据神经易化技术原理，强化骨盆 控制能力可促进下肢的运动功能【3 2 l 。 1 3 课题主要完成工作 本课题主要对步态训练机器人骨盆机构进行实体结构的研制与控制实验 的可行性的研究。论文的主要内容如下： 1 机器人机构方案与设计，主要包括：骨盆控制机构的设计原理与要求、 各个驱动机构的选型与设计、部分构件的力学承载分析、电动缸的选型与设 计、电机的选型等 哈尔滨r 稗大学硕十论文 2 1 前言 第2 章机器人机构方案与设计 模特的行走是优美的代表，竞走运动员的行走是速度的代表，虽然两者 的目的不同，但是有一个相通地方：那就是骨盆运动。正确的骨盆协调运动， 是掌握正确的行走方式的关键，为行走过程中的增加步幅的长度、柔顺步态 等提供了保证。 腰部的盆骨上连腰椎，下与股骨构成髋关节，因此它既作为脊柱的一环 而运动，又是以髋关节为轴作相对于下肢的运动，在人体进行直立行走的过 程中，起着重要的平衡作用。当骨盆产生非正常运动轨迹时，将直接影响到 步态的运动特征1 3 3 】。根据动态的姿势稳定性的发育顺序来看，其发育顺序是 从头到尾、由远及近的从颈肩部向躯干和骨盆带，最后到四肢【蚓。肢体的随 意运动是以近侧稳定性为基础的，因此稳定骨盆能力是为下肢的功能动作做 准备，近端稳定性一旦形成，四肢的分离运动就容易完成，故而对康复者进 行骨盆稳定性控制能力方面的训练，可提高步行能力【3 习，为康复者恢复到自 然、平稳、柔顺的行走模式奠定了基础。因此，骨盆位姿的恢复性训练必然 要加入到人体下肢康复训练工程里进行全面的考虑，为康复下肢障碍患者作 出重要的作用。 2 2 骨盆控制机构原理及设计要求 人正常的行走过程是一个协调的、周期性的运动，在一个正常步态行走 周期中，又由摆动期和支撑期两部分组成，在摆动期过程中，下肢是一串联 机构，此时骨盆属于冗余度串联机；支撑期时，下肢构成一单闭环的并联机 构，各关节对骨盆自由度有影响，其自由度之间存在耦合关系。可以这样认 为，在正常步态运动过程中骨盆自由度输出类型为1 r 3 t t 3 6 1 ，而不是我们所了 解的3 r 3 t 模型。 因此，在此基础上提出了一种六杆机构以实现骨盆位姿控制机构的4 自 由度运动1 3 7 1 ，骨盆位姿控制机构原理图如下图2 1 所示。这种机构具有结构 1 0 哈尔滨t 程大7 7 ：硕十论文 曼曼曼曼舅曼皇曼曼! 曼曼曼曼! ! 皇曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼! ! ! 曼! 量曼皇曼兰曼曼曼曼曼! 曼皇蔓曼舅! 曼曼皇曼曼! 鼍曼! i i ；i 曼曼曼曼曼曼曼曼 简单、驱动源少、易于控制等特点。通过控制丝杠螺母机构、升降机构实现 对人体的骨盆部位( 即骨盆连杆位置) 进行推拉、升降等运动，从而使其具 有在人体的冠状面( y - z 平面，如下图2 2 所示) 、失状面( x - z 平面) ，断状 面( x - y 平面) 以及横断面法线( z 轴) 向转动等4 个自由度的运动。 通过此步态训练机器人骨盆控制机构的康复训练，不仅矫正患者在恢复 过程中的骨盆部位的错误运动，而且为后期能够正常行走以及人体的行进过 程中的稳定性、平衡感打下基础。根据传统的训练模式来看，在设计过程中 还要考虑到人体减重、行进中的平稳等问题，所以工作平台的设计就要以平 动平台为基础，将步态训练机器人骨盆控制机够安置其上，并以绳索的提调 的方式减轻人体下肢的负重，以此来满足康复训练的要求的。 图2 1 骨盆位姿控制机构原理图图2 2 人体参考坐标 由于此设计是用于截瘫、偏瘫、脑卒中康复患者等下肢行动不便人群， 根据的康复机器人，根据骨盆控制机构原理以及康复训练的经验，提出以下 几点设计目标，以满足有行动障碍患者在康复过程中的训练要求： ( 1 ) 步态训练机器人骨盆控制机构及承载平台的空间体积约1 5x 1x 1 5 m 3 ，在室内外灵活的移动； ( 2 ) 具有重力支撑系统，以方便患者在有效的减重的情况下，进行合理的 康复性训练； ( 3 ) 整体结果简洁，方便搬运，驱动装置不宜过于庞杂。 哈尔滨。i ：稗大学硕十论文 2 3 结构设计 康复训练机器人是为了患者恢复健康而产生的，是以患者恢复健康为目 的，所以其设计就必须要以患者的需求及医师为其康复训练过程为依据，合 理的结构设计不仅方便医师的工作和操作，而且对患者的早日康复起着极其 重要的作用和影响。 2 3 1 骨盆驱动机构 正常步态过程中，骨盆部位具有6 个自由度：沿x ，y ，z 轴的移动和绕z ， y ，z 轴的转动( 图2 2 人体参考坐标系) 。由于在运动过程中人体骨盆输出 为1 r 3 t 型，即沿x ，y ，z 方向的移动和绕z 轴的转动这四个自由度，而骨盆 驱动机构在横断面( x - y 平面) 上可以实现除z 方向以外的三个自由度，因此 选取了这种结构简单清晰，布局合理，机构上较易实现的方式。 骨盆驱动机构的主动力为两个并联的电动缸，骨盆架实现沿y 方向的移 动和绕z 轴的转动。人体在运动过程中，双腿运动将给骨盆一个驱动力，而 此时如果再给骨盆一个x 方向的驱动使骨盆运动唯一必然会造成骨盆位置的 冗余控制，因此骨盆位姿控制机构原理图中的r 1 于r 2 、尺4 的两连接点位置 的转动将省略，而电动缸两端都为铰链连接，因此将出现骨盆架在x 方向的 自由运动状态，使得x 向为不可控运动，而这一设计的合理性将在后面的实 验中检验其可行性与稳定性问题。为了使骨盆驱动机构的更加直观的验证其 合理性，下图2 3 所示为利用p r o ew i l d f i r e 进行3 d 虚拟样机的设计图。 图2 3 骨盆驱动机构三维效果图 1 2 骨盆架，i ? 冀 。 莲 x y 哈尔滨丁杵人学硕十论文 曼曼皇曼舅曼曼曼! 皇曼皇曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼! 曼曼曼曼兰蔓曼曼! 曼曼! 曼曼曼曼曼曼! 曼曼皇曼曼皇iii 皇曼曼! 曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼 2 3 2 欠驱动部分的选择配型 骨盆驱动机构为四边形结构存在不稳定性，由于沿x 方向没有动力源( 各 铰链轴上无驱动力) ，所以在没有负载的时候骨盆驱动机构将出现不稳定因 素，对机体会造成一定的损伤，而在有负载( 患者) 的情况下其不稳定性也 会对康复者造成不必要危险。因此对此欠驱动部位加上约束，已是势在必行。 以下提出了两种不同的解决方案： 1 、对中弹簧不完全约束法 既然两电动缸与托架为铰链无约束连接，则在托架中间固定一个支架， 在其上用钢丝绳、弹簧以及美式花兰将支架与电动缸缸体末端连接起来( 具 体关联方式详见最后一章实验) ，如下图2 4 所示。选择连接在电动缸缸体末 端是为了当电动缸偏离初始位时可以以很小的力将电动缸拉回，也是便于校 准安装位置，方便整机的装配。 通过美式花兰可以分别调节两弹簧的回拉力，使得两个电动缸与托架成 垂直状态，这一状态也是实验时的初始位置，当然在实验开始前应加一定的 弹簧预紧力以避免电动缸运动时由于电动缸的收缩使得钢丝绳脱离滑轮造成 不必要的危险。 图2 4 对中弹簧连接方式 2 、绳索半驱动约束法 人步行过程中，重心前倾提供行走趋势，骨盆在水平面上左右旋转运动， 一侧骨盆向前旋转时是同侧足跟着地期，此时骨盆在水平面上由另一侧向骨 盆前转方向移动；向后方旋转时是该侧下肢处于支撑期，骨盆部位在水平面 1 3 哈尔滨一t ：稗大学硕十论文 上由支撑足一侧产生向另一侧运动的趋势，并在另一侧足跟着地前向其方向 运动。如果在此过程中，不加入过约束的完全驱动源，而只是提供一个小的 运动趋势、驱动力，使骨盆按此规律进行少量运动或者产生一定的运动趋势， 将会有利于患者在康复训练中提高主动意识，增强恢复效果。因此提出了利 用电动缸的推杆运动过程中产生的推力，带动绳索机构，绕过电动缸底座轴 上的过轮拉动另一侧的电动缸，使之产生一定的横向力，带动骨盆架横向移 动。 以单侧绳索为例，见下图2 5 所示，绳索机构由钢丝绳、弹簧、过轮以 及美式花兰组成( 其功能与对中弹簧连接方式中的相同) ，当电动缸推杆推动 绳索时，由于产生的定滑轮效果，作用力将直接等效为在电动缸底座轴位置 施加拉力，从而拉动另一侧电动缸向此一侧运动。而在骨盆控制过程中，两 个电动缸在大部分时间里为差动运行模式( 一个伸出而另一个为缩回状态) ， 而当两电动缸同时推出或缩回状态时，由于有弹簧的弹力和预紧力的存在使 得电动缸不会受到过大的拉力而使得缸体受损或机械体对患者的造成的不必 要的危险，也不会出现绳索过松而脱落造成机械体失控产生危险。 固 用 哈尔滨。i 稗大学硕十论文 行，组成动滑轮系统，则绳索系统产生的拉力与电动缸推杆的推程将成舣倍 关系。并且，还可以通过选择不同弹力系数的弹簧调节绳索系统的输出力， 再由实验数据选择最佳弹簧规格，以满足患者的训练需求。 2 3 3 骨盆支架的设计 人体由背部至臀部成一条内凹的曲线形式，由上图2 6 盆部失状断面图1 3 8 1 可以看到在内凹曲线的最低位置为人体的腰部，沿曲线下移便是骨盆架结构 所支撑的臀部。而骨盆支架所推动则是大骨盆的髂后上棘部位( 骨盆后侧与 图2 7 所示的横断剖面相交线附近) ，此处由脊椎骨向两侧的大骨盆位置延伸 时亦成凹陷形曲线，只有骨盆支架与之较完全的吻合时，人体盆部受力才会 最均匀，而且也易于骨盆位置的固定，使人机更好的结合在一起，这样患者 才会有最舒适的感受，利于作出更协调的运动步伐。 耘+ 剖切线l n 雾 蠡。l ( a ) 人体正面图 憋妻j 图2 6 盆部失状断面( 男) ( a ) 人体正侧图 ( b ) 剖面图 图2 7 盆部水平断面( 男) 1 5 哈尔滨r ：稃大学硕十论文 由图2 7 的右侧图横断面所知，人体水平断面町以近似为一个较规则的 梯形结构，从后腰部位向腹部逐渐变宽，而腹部由于没有骨支撑可以视为可 变面。在左侧图的横断线至大骨盆上边缘处约为1 5 c m 左右的这一段可以近 似的认为是一个柱形体，此处为大骨盆的最宽部位在这里作为骨盆支架支撑 部位可以达到最小力输出最大力矩的效果。因此结合以上人体盆部特征以及 重力支撑系统的选择要求，设计并建立的其效果图如下图2 8 所示。 。| 删；“j f 等_ 一篇t 孝 移_ ：m 。 。彩妨勉7 ，t 鼍 ” 图2 8 骨盆支架三维效果图 2 3 4 减重装置的选定 通过阅读大量国内外文献资料发现，以往的w b s ( b o d yw e i g h ts u p p o r t ) 系统多为悬挂式绑束躯干的减重模式，主要是以索带、背心类的装置束缚人 体上身，并悬挂在一个悬臂梁类的支撑杆上，但是这种w b s 系统给患者带 来很多不适，穿着起来不仅麻烦而且还需要将人体固定牢靠，长时间穿戴会 使躯干以及上肢造成血脉不通等状况。 自行车大家都比较熟悉，当人坐在车座上时，双腿可以自由的活动，而 且大部分人体重量都由自行车座承担，如果将此结构应用到重力支撑系统中， 作为主要承载器，将在不影响人腿的康复训练的条件下进行锻炼，而且还解 放人体上身，大大提高了患者康复训练过程中的舒适度。因此，基于以承载 理念，设计了如图2 9 所示的重力支撑座，通过骨盆支架束缚人体盆部，重 力支撑座托起人体会阴部完全