下肢行走康复训练机器人机械结构设计

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1、机机电工程技术电工程技术2011年第40卷第09期研究与开发下肢行走康复训练机器人机械结构设计程卫卫，韩建海，陈捡（河南科技大学机电工程学院，河南洛阳471003）摘要：针对由于神经损伤而导致下肢运动障碍的患者康复训练问题，设计了一种气压驱动的下肢行走康复训练机器人的机械结构。以Pro／E为基础，构建了该机构的三维虚拟模型。着重分析了人体行走过程中重心的变化规律，设计了重心平衡机构并进行了运动学分析，仿真结果验证了该机构设计和控制方法的有效性和可行性。关键词：康复训练；机器人；重心平衡；运动学中图分类号：TP242.3文献标识码：A文章编号：100

2、9－9492(2011)09－0077－031引言现在该方法的效果已经得到国内外诸多医学专家的普遍认同［1-2］。近年来，随着科学技术的进步和人民生活水平的提高，人们对康复器械的要求越来越高，目前，世界上大约2总体机械结构设计有十余家实验室从事人体助力机器人的研究，国内也有很下肢康复训练机器人的机械结构如图1和图2所示，多研究机构在研究下肢康复训练机器人，但它们大多仅仅分为外部框架、减重机构、重心平衡机构和腿部驱动机构是考虑了模拟人腿的正常步态，没有考虑行走过程中重心四部分。外部框架用于支撑减重机构和重心平衡机构。减的变化，本文设计一种带有重心平衡

3、机构的新型康复训练重机构由下部驱动气缸、连接部分的钢丝绳和导轮、可穿机器人，并通过计算和仿真验证其正确性和必要性。此种戴式的减重背心构成，根据患者的自身体重及病情轻重，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通过连接在钢丝绳尾部的驱动气缸来减轻患者的自身体人原理，通过一套计算机控制下的走步状态控制系统，使重。重心平衡机构在人的正常步态行走过程中，通过安装患者模拟正常人的步伐规律作康复训练运动，锻炼下肢的于平行四边形机构的气弹簧来被动实现，当人在跑步机上肌肉，恢复神经系统对行走功能的控制能力，达到恢复走行走时，气弹簧会跟随人的重心变化自动伸

4、缩，起到重心路机能的目的。根据康复医疗理论，髋关节有屈伸、内收外展和内旋外旋三个自由度。膝关节在屈伸过程中可近似看作一个自由度。踝关节有屈伸、内收外展两个自由度。因此设计时应尽量考虑两个平面的运动，使设计更加符合人体的正常步态，这样的康复效果才能达到最佳。在康复治疗方面，减重步态训练PBW-STT（PartialBodyWeightSupportTreadmillTraining）是目前下肢偏瘫患者康复治疗普遍采用的有效方法之一，该方法利用机械减重结构使得人体只用承受部分身体的重量，并且能够根据患者的康复程度，调整减重的比例，使得康复的效果达到更好

5、。收稿日期：2011－03－0477研究与开发机机电工程技术电工程技术2011年第40卷第09期平衡的目的。最后一部分是腿部机构，根据正常成年人的四边形的四个顶点由铰链连接，可以自由转动。气弹簧是身高比例尺寸，确定各个构件的基本尺寸，包括髋关节、以气体和液体为工作介质的一种弹性元件，由压力管，活膝关节和踝关节三个关节，分别连接了该部分的大腿机塞，活塞杆及若干联接件组成，其内部充有高压氮气，与构、小腿机构和脚部机构，从而组成了可穿戴式步态康复机械弹簧不同的是，训练机器人外骨骼模型。气弹簧具有近乎线性该模型驱动部分由气缸驱动，并分别安装电位器式位的弹性

6、曲线。当气弹移传感器和拉线式位移传感器，用于检测气缸的伸缩位移簧受到来自人体的压量，并将信号送入数据采集卡，通过硬件电路平台，送入力时，会根据压力大由PC机构成的上位机，处理后，由PC机向气动高速电磁小自动伸缩，从而缓阀输入信号，驱动气缸完成动作，从而构成了一套完整的冲该压力的大小，最闭环控制系统，控制该机构完成指定动作。终就会跟随人体重心3重心平衡机构设计的上下移动，来被动3.1实现人体重心的变化人体重心轨迹研究轨迹。通过建立一个抽象的人体棍棒模型，分析出人在正常站立时、以及在行走过程中重心最高、最低几种特殊的状4运动仿真态，得到这几个特殊状态的

7、数据，其三维数学方程式如SimMechanics利下：用模块框图的建模环境来对刚体机构运动进行设计和仿真。直接通过模块对实际构件和构件之间的关系来对系统进行建模和设计。在其中加入控制模块即可组成复杂的机电一体化系统［4］。（1）建立仿真模型在Simulink环境下对步态康复训练机器人进行运动学式中：L＝姨0.3025h2+0.25m2，为站立时重心与脚支仿真需要以下几个步骤。撑点的距离,为行走过程中重心处于最低点时重心到地面的1）建立重心调整机构的简化模型，在重心上下变化2S2A2面上，根据设计方案，确定机架、腿部连接架、和上下支高度，N＝（L－）

8、（1－），A为步宽，S为步姨44L2－S2撑臂构成平行四边形机构，气弹簧作为该平行四边形机构长，50cm≤S≤80cm。h