基于绳索驱动的并联康复机器人的研究.pdf

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1、·现代设计与先进制造技术·王卫东陈柏王鹏等基于绳索驱动的并联康复机⋯⋯31基于绳索驱动的并联康复机器人的研究王卫东，陈柏，王鹏，陈笋(1．南京航空航天大学机电学院，江苏南京210016)(2．上海交通大学医学院附属新华医院，上海200092)摘要：针对腰部康复训练过程中如何协调控制患者骨盆运动轨迹的问题，设计了由6根绳索牵引的四自由度并联机器人。采用封闭矢量四边形法和Newton—Raphson迭代法建立了该绳索驱动并联平台运动学正、逆解计算模型。基于骨盆运动规律，对绳驱动机器人进行了运动仿真，得出

2、了驱动绳索长度、速度、加速度变化规律，并通过实验验证了所构建并联平台运动学模型的正确性。关键词：康复机器人；运动学模型；运动学仿真中图分类号：TP242．2文献标识码：A文章编号：1672—1616(2012)l1—0031—05由于脑瘫或其他意外事故导致的肢体运动障衡装置，并通过6根主动绳索牵引模拟骨盆中心点碍的患者人数日渐增多，丰富康复训练手段，提高的四自由度的运动。该并联机器人各部分功能实康复训练效率具有很大的迫切性和必要性。现了模块化，可根据患者的实际情况，修改运动参传统的康复治疗依赖于治疗

3、师的经验和徒手数，达到康复训练效果。操作，工作量大，训练效率低下。康复训练机器人的产生，有效地解决了以上问题⋯。1骨盆运动特点及参数描述目前，国内外对康复训练机器人的研究主要人在正常行走过程中，骨盆具有4个自由度有：瑞士联邦工业大学和瑞士Balgrist大学联合研(1R3T)：沿左右方向(X轴即矢状轴)的平动、沿制的步行康复训练机器人系统LOKOMAT，该机前后方向(y轴即冠状轴)的平动、沿Z轴(上下方器人具有2条步态矫正外骨骼机械腿，每一条外骨向即垂直轴)的平动和绕z轴的转动，且骨盆在上骼腿有髋、

4、膝关节2个自由度，分别由带滚珠丝杠下、前后、左右方向以及绕Z轴(垂直轴)转动的运的独立驱动机构实现_2；美国Delaware大学机械动近似于正弦变化_5_。工程学院和医学院联合研制的具有重力平衡系统骨盆沿x轴平移的拟合方程为：，’一的下肢外骨骼步态矫形器，通过减轻或消除腿部重=Ax×sin(等+)(1)力对步行的影I~[3J。上述机器人大多是以杆件驱骨盆沿y轴平移的拟合方程为：动，在康复训练过程中较易造成患者的不适与不安。=Ay×sin(+y)(2)由于绳索驱动机械系统的驱动器可以安装在骨盆沿Z轴平

5、移的拟合方程为：底座上，结构简单，惯性小，机构相对较轻，柔顺性好，正被逐步应用于康复运动的主动控制中。例z=Az×sin(+)(3)如：德国弗朗霍费尔研究所研制的绳索牵引并联康骨盆绕Z轴转动的拟合方程为：复机器人，采用7根绳索牵引，控制受训者躯干，同1．q=Aq×sin(爷+Oq)(4)时辅以其他绳索用于躯干运动的测量，空间绳索布置复杂，成本昂贵_4J。式中：Ax，Ay，Az，A。分别为沿X轴、y轴、Z轴移本文结合骨盆的运动规律，设计了一套重力平动，绕z轴转动的幅值；，，，Oq为初始相位收稿日期：2

6、011～11—02基金项目：国家自然科学基金资助项目(51075209)；上海市科委基金资助项目(08411960700)；南京航空航天大学基本科研业务费专项科研资助项目(NS2010119)；江苏省数字化制造技术重点实验室开放基金资助项目(HGBML一0907)；南京航空航天大学研究生创新基地(实验室)开放基金资助项目作者简介：王卫东(1986一)，男，江苏徐州人，南京航空航天大学硕士研究生，主要研究方向为机器人、医疗机械。322012年6月中国制造业信息化第41卷第11期(以右脚足跟着地的瞬间开

7、始计算)；T为步态周期。在一个步态周期内，骨盆左右摆动1次，上下起伏2次，前后摆动2次，绕Z轴转动1次。对于不同的人群来说，其运动幅值、周期与身高、年龄、步行速度有关。为此，哈尔滨工程大学赵凌燕等通过实验分析并拟合了运动幅值、周期与身高和步行速度之间的函数关系式j。其选取身高各异的健康男性青年为受训者，以不同的速度测得X轴、Z轴运动幅值与身高h、步行速度的函数关系式为：Ax=一234．38vh+363．87h+360．45一图1绳索驱动康复训练机器人总体设计图549．41Az=18．21+9．75其

8、中沿z轴移动的幅值Az与身高基本不相关，沿y轴移动幅值Ay≈10mm，与身高、步行速度基本不相关。步态周期T主要受步行速度影响，满足：T=1．522—3．24口+2．87考虑到不同年龄段的人，步态周期及骨盆运动幅值存在一定差异性，定义K为年龄系数，相应的，取步态周期为rh=KhT，运动幅值A^=K。图2重力平衡系统结构示意图针对不同的人群，该康复机器人的结构参数是2绳驱动康复机器人整体设计方案可调的。依照一健康男性相关数据确定结构参数由于柔索只能沿轴向承受拉力，不能承