仿生踝关节辅助康复系统研发-科技攻关计划项目开题报告

*硕士研究生毕业（学位）论文开 题 报 告学 院：机电工程学院姓 名：*学 号：331402000*年 级：2014级专 业：机械工程导 师：*（教授）填表日期：2016年3月17号郑州轻工业学院研究生处制12填 表 说 明一、研究生在导师指导下，应于第三学期根据研究方向选定论文研究课题。二、研究生通过系统地查阅国内外文献资料，在进行实地调查研究的基础上，详细认真地填写报告中的有关内容。三、报告须在导师组会议上宣读，广泛听取意见，并进行修改，经组同意，主管院长（主任）批准后，方可执行。四、报告一式三份，应于开题报告结束后，分别交院系、研究生处、研究生本人各一份存查，并作为检查报告执行情况的依据。五、本报告存入研究生技术档案，是学位评定材料之一，要求用钢笔填写，字迹清楚，如栏内填写不下，可另加附页。研究题目：仿生踝关节辅助康复系统研发课题来源：河南省科技攻关计划选题依据（选题的理论意义和实用价值，国内外研究动向及进展）：1理论意义和实用价值伴随着科技的发展, 人们的生活水平提高, 社会老龄化、各种疾病和交通事故导致的肢体运动障碍显著增加。康复医学研究表明, 合理运动是受损伤关节康复的重要步骤, 它不仅能促进快速恢复,也是保证功能完全恢复所必需的。医疗机器人逐渐地引起工业发达国家的重视,以机械学、传感技术与微处理机相结合的机械电子技术的迅猛发展, 促进了医用领域的自动化和机器人化。仿生康复系统、仿生机器人等应用于康复领域，越来越受到人们的关注。根据2010年国务院残疾人工作委员会公布的抽样调查数据显示1，全国各类残疾人总数为8296万人，占全国总人口6.34%，其中肢体残疾人数为2412万人，截肢人数为226万，占残疾人总数2.72%。假脚作为人体下肢假肢的重要组成部分，在现有医疗水平尚不能使肢体再生的情况下，为了帮助肢体残疾者恢复一定的生活自理能力和工作能力，提高其生活质量，为残疾人开发和研制现代化舒适的康复系统或者假肢产品等，就成为当前国内外医疗康复行业的一项重要而艰巨的任务。目前, 发展较早、应用最广泛的运动康复系统是CPM机,它可为膝、肘、肩等大关节提供被动运动。国内大学与医疗仪器公司合作开发出了多种关节康复器, 其中, 包括JK-H1肘/踝关节康复器。这些产品外形美观, 使用方便, 在控制方面向可编程控制, 虚拟现实、功能性电刺激和人体神经信号智能控制方向发展。虽然在近几十年理论研究和实用产品设计方面，对踝部关节康复机构的研究有了很大的发展，但是与髋、膝关节假肢设计相对比，人脚作为人体下肢关节的重要组成部分，也是最为灵活的部分，一直以来研究都比较滞后，相关的踝关节产品未能很好的满足患者的需求。因此，对于踝关节仿生与康复系统的研究具有重要的意义。（1）仿人机器人是近年发展起来的一个多种技术和多门学科交叉结合的应用领域。实现仿人机器人的自然、动态行走是各国研究仿人机器人的重要领域之一，近年来受到了许多科学家和技术工程师的关注。仿人机器人的步行能力既受控制与传感系统影响，也依赖于其机械结构(自由度)的运动学特征。虽然现有的机器人能实现稳定地行走，但是其踝部关节在运动、结构和质量的总体优化方面还存在一定的欠缺。比如，三自由度踝部关节的质量过重，结构比较复杂；二自由度的踝部关节运动起来不灵活，与实际人体踝部关节的运动功能差距较大，拟人性也不强。（2）康复医学工程领域内，通过对生理踝部关节的研究，开发具有仿生特征踝关节辅助康复装置，对医学和康复医学工程有重要意义。机器人应用于康复领域，越来越受到人们的关注。（3）人脚是人体下肢关节非常重要的一部分，也是最灵活的一部分。近几十年来，对髋关节和膝关节假肢的研究比较多，然而，对人脚的研究相对来说比较少，相关的假肢踝关节产品不能很好的满足患者的需求。因此，对踝关节深入的研究具有非常重要的意义。（4）仿人踝关节辅助康复装置的研发采用柔性电机+弹簧驱动机构可使机构实现仿人脚运动，满足人体脚部灵活性要求。这种装置结构简单，成本低，可应用假肢踝关节，服务残疾人事业，具有广阔的应用场景。也可用于仿人机器人的脚部机构，开发出运动灵活的探险、娱乐仿人机器人。2课题国内外研究动向与进展近几年高性能的仿人双足机器人是国内外机器人领域内的研究热点，在理论和实践方面取得了较大的成果，开发了多种结构的仿人机器人2-11。踝关节损伤或手术之后，如何使踝关节尽快恢复其机能，无疑也是一个重大的课题，国内外很多学者都开始研究踝关节康复机构，随着机电一体化技术的发展，陆续出现了很多由伺服电机控制的持续被动运动康复器12-13，Salter R. B.等人研制的R机构、RR机构及RR/RRR并联关节机器人，均能实现踝关节符合康复要求的训练。世界上很多学者研究了各种踝关节康复机构的控制系统：比较典型的，美国新泽西大学研制了基于Stewart机构的，具有6个自由度的并联踝关节康复机器人系统14，其运动平台可以实现3维转动，同时还会带着脚掌和小腿进行移动，其外观图如图1所示。该机器人以六个力位可控的双向运动气缸作为机构系统的驱动元件，六维力传感器安装在动平台上，位置传感器、嵌入式芯片、气阀，气阀控制器与外围电路安装在驱动部件上并组成控制系统。该控制系统是通过RS232总线与PC机进行的通信，PC机可以实时检测到动平台的位置和输出力的信息，还采用了虚拟现实技术来实现人机交互，患者可通过主机显示器上的三维虚拟图像来感知康复过程中关节的运动情况。图1 踝关节康复机器人外观图韩国国立庆尚大学的Yoo等提出了4自由度并联机构可重构脚踝关节康复机器人系统15-16，如图1所示,该系统采用4个气压驱动器驱动，能够完成脚踝的运动、脚趾和脚后跟的转动。美国麻省理工大学的Edward等提出了基于柔性机构的踝关节康复机器人17，如图2所示。其中图2 (a)是柔性结构在空载状态和负载状态时示意图。国外研究的踝关节康复机构，还有奥克兰大学研究的踝关节康复并联机器人18，Krebs, H.I.19研制的，CNR-ITIA20研制的以及Z.M.Bia21研制的踝关节康复机器人。(a) (b)图2 基于柔性机构的脚踝关节康复机器人边辉22等提出了一种具有固定远程转动中心的2-RRR/UPRR踝关节康复机器人，并对它的工作空间进行了研究，按照数值算例中给定的机构参数，利用Matlab软件编程，在机构杆件不相互干涉的条件下，在第3分支中移动副的工作长度约束范围内，利用搜索法绘制出机构的工作空间3维立体图，如图3所示。图3 三维工作空间段学习23等提出了基于GALIL控制器的踝康复机器人控制系统，踝关节康复机器人系统结构采用PC + 控制器的开放模式，康复运动轨迹的精度由结构本身精度保证。PC 拥有丰富的软件和强大的数据存储与计算能力, 用来实现患者康复轨迹规划与生成，系统硬件结构图如图4所示。边辉24等提出了一种生物融合式踝关节康复机器人的设计，由于康复机器人通常是在医院、诊所等环境中使用，样机采用美观轻便且不会生锈的铝合金作为其主要材料；为防止转动轴承在添注润滑油过程中对环境造成污染，回转部件采用滑动轴承；选用电感式接近开关作为限位开关以防止传统机械限位开关因碰撞造成的误操作。考虑到并联机构运动具有强耦合特性，其电控系统采用PC 机结合多轴运动控制卡的形式，应用凸轮功能实现对踝关节康复运动的精确控制。机器人样机及其控制系统分别如图5所示。图4 系统硬件结构图 图5 机器人电控系统简图张小俊25等提出了一种踝关节康复机器人的控制系统设计，3-RSS/S 踝关节康复并联机器人的控制系统由PC 机、PMAC(Program Multi-axis Controller)多轴运动控制卡、三个驱动器、三个电机、三个光电编码器和一个六维力/力矩传感器组成，如图6所示。PC 机作为上位机，完成各伺服电机速度、位置、力矩指令值的计算， 并对机器人的运行进行监控。PMAC 作为下位机是该系统的关键部件，接受上位机发出的各种命令，以要求的位置、速度、力矩控制伺服电机，以很高的精度完成期望的动作。上位机与下位机的通讯采用串口RS232 形式。每个驱动器从PMAC 得到控制信号， 放大后来控制电机的转矩或速度。电机则把驱动器传过来的电信号转变成旋转运动，电机配上位置传感器，可以对PMAC 的位置输出进行补偿。六维力/力矩传感器则向PC 机提供患者施加给机器人的力和力矩信息。（a） （b）图6（a） 3-RSS/S 踝关节康复并联机器人控制系统，（b）3-RSS/S 踝关节康复并联机器人路光达26等研制的3-RSS/S并联机构踝关节康复机器人。如图7所示，实验以健康人为对象进行康复训练，并分析处理了相关数据。在控制系统中，机器人平台相当于游戏的操纵杆，操纵虚拟场景中的虚拟物体动作，虚拟场景改变了以往康复的枯燥，增加了康复训练的娱乐性，能够满足主动康复训练。控制系统能够按照操作者设定的运动角度极限、运动速度、运动组数、提供的反力矩要求进行康复训练，满足设计要求。图7 力反馈控制实验 图8 硬件设计示意图董彩27等提出了人体下肢膝一踝关节智能仿生控制装置设计，智能下肢膝一踝关节柔性仿生控制装置的硬件设计主要包括信息采集、多通道放大、A/D转换、DSP信息处理以及电机驱动单元。其中下肢表面肌电信号非常微弱(介于3-5 mV)，且为模拟电信号，所以需进行运算放大，然后进行模数(A/D)转换，最后输入DSP信息处理单元。DSP输出的PWM信号对电机进行控制，从而进行步态分析与步姿决策。硬件设计示意图如图8所示。国内燕山大学的陆银春等28研制的曲柄连杆机构的踝关节康复机器人；边辉等29研制的并联球面机构的踝关节康复机器人；黄海灵等30研制的基于柔索机构的踝关节康复机器人；印松31研制的3-PUS/S机构的踝关节康复机器人；候娅品等32研制的齿轮机构的踝关节康复机器人。研究踝关节康复机器人的还有路光达33等研制了3-RSS/S并联机构踝关节康复机器人，并开展了相关实验研究；李大顺34等研制了并联 3-RRS 踝关节康复机构；梁桥康35等研制了3RPS/UPS结构并联机器人；李剑锋36等研制了并联2-UPS/RRR踝关节康复机构；禹润田37等研制了绳驱动并联踝关节康复机构；刘其洪38等研制了踝关节智能康复机器人；韩亚丽39等研制了并联式踝关节康复机器人；李丽丽40提出一种基于上位Pc 机和运动控制器的控制系统。课题研究内容与研究方法：研究内容：本课题研究一种具有仿生特征的踝关节辅助康复装置。其核心是应用球销副巧妙组合，它包括上平台、踝关节、下平台、背屈/跖屈驱动装置、内翻/外翻驱动装置和控制系统。背屈/跖屈驱动装置和内翻/外翻驱动装置都分别由伺服电机，丝杠螺母副，弹簧等构成。模拟踝关节的三种运动模式。如图1所示。图1 踝关节的三种运动模式研究方法：1. 根据人体踝关节的特点，研究它的工作原理，在solidworks软件中建立仿生踝关节辅助康复装置三维模型，完成构型设计；2. 对模型的工作空间进行研究，采用matlab计算装置的工作空间；3. 采用ADAMS软件对装置进行运动仿真，研究装置的运动学与动力学性能；4. 加工实物模型，对控制系统进行研究；5. 最后，对装置进行初步的实验测试。课题工作计划及阶段进度： 2015年01月2015年05月 追踪最新相关资料，完成对仿生踝关节辅助康复装置的整体结构设计方案，进行三维建模；2015年05月2015年11月 对模型的工作空间进行研究，采用matlab计算装置的工作空间；2015年11月2016年06月 采用ADAMS软件对装置进行运动仿真，研究装置的运动学与动力学性能；2016年06月2016年09月 对论文进行整理，拟发表论文；2016年09月2016年12月 完成装置的控制系统的研究，加工实物模型制作实物样机并对样机进行初步的实验测试；2017年01月2017年03月 论文写作；2017年04月2017年05月 论文的修改和答辩。课题研究工作可能存在的困难和问题：1.对仿生踝关节的结构进行优化，上平台需要承载一定质量的承载物，需要对装置的结构进行加强；2.对仿生踝关节装置的工作空间进行研究；满足内翻/外翻和背屈/趾屈都能够达到30度的工作要求，就要对装置的结构不断地优化，直到满足要求；3.利用ADAMS软件对装置进行运动学与动力学仿真分析，采用不同的运动规律。4.重点研究仿生踝关节的控制系统，采用基于PCI通讯的控制方式，编制程序软件进行实验测试。解决方法和措施：1. 追踪最新相关资料，对仿生踝关节的结构进行优化；对仿生踝关节的上平台的的载荷重量按照10KG进行设计，对踝关节的整体结构及局部结构进行优化调整；2. 查阅计算工作空间的相关文献资料，对装置的工作空间进行研究，利用MATLAB进行计算；3.查阅复合运动状态下的运动与动力学模型相关资料和文献，总结出本课题的运动学与动力学模型方法，认真学习仿真软件，并熟练仿真的相关技巧，实现本课题的复合运动状态的运动学与动力学模型；4. 查阅相关程序的资料，并反复检查程序，直到确定无误；并查阅相关电机控制的资料和请教电气专业的老师和学生，连接好线路，并建立好人机交互界面，反复检查和实验模拟。预期结果：1. 建立仿生踝关节辅助康复装置三维模型；2. 对模型的工作空间进行研究，采用matlab计算装置的工作空间；3. 采用ADAMS软件对装置进行运动仿真，研究装置的运动学与动力学性能；4. 加工实物模型，对控制系统进行研究，对装置进行初步的实验测试；5. 至少发表论文1篇。课题研究具体指导人员：王良文（教授）导师（签名）：年月日附：为选题所查阅的文献资料索引（外文资料不少于1/3篇，中外文文献资料不少于40篇，按报告引用时出现的先后顺序填写）：参考文献索引：1 中国残疾人联合会EB/OL. 2010-04-02. /2008old/stzx/content/2010-04/13/content_30273864.htm.2 包志军, 马培荪, 姜山, 等. 从两足机器人到仿人型机器人的研究历史及其问题J. 机器人, 1999, 21(4): 312-340.3 杨敏, 殷晨波, 董云海, 等. 拟人步行机器人下肢研究现状J. 机械传动, 2006, 30(2): 84-89.4 周玉林, 高峰. 仿人机器人构型J. 机械工程学报, 2006, 42(11): 66-74.5 于秀丽, 魏世民, 廖启征. 仿人机器人发展及其技术探索J. 机械工程学报, 2009(3): 71-75.6 S. 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