周威-畢業(yè)設(shè)計課件

下肢康復(fù)機器人人因動作分析河南科技大學(xué)機電工程學(xué)院周威指導(dǎo)老師：王會良人因分析及康復(fù)機器人設(shè)計要求2人體下肢關(guān)節(jié)參數(shù)及機器人參數(shù)4課題背景及研究現(xiàn)狀31步態(tài)分析33運動學(xué)分析351.課題背景及研究現(xiàn)狀課題背景

經(jīng)濟的快速發(fā)展，交通工具增多，交通事故也隨之增加，與此同時，隨著人民生活水平的日益提高，心腦血管病的患病率也逐年上升，據(jù)統(tǒng)計，我國每年有大約175-200萬腦中風(fēng)患者在治療后存在不同程度的肢體運動障礙。這類患者除了必要的手術(shù)和藥物治療外，正確、科學(xué)的康復(fù)訓(xùn)練對于肢體運動功能的恢復(fù)和提高也起到非常重要的作用，下肢康復(fù)機械應(yīng)運而生。

國內(nèi)現(xiàn)狀：

國內(nèi)研究較晚，成果主要集中在各高校。主要成就：

清華大學(xué)研制的GRTS步行康復(fù)訓(xùn)練機器人哈工大研制的步態(tài)輔助機器人

上海大學(xué)設(shè)計開發(fā)的一種四自由度外骨骼機器人等2.人因分析及設(shè)計要求人機界面基本平面：前向平面（矢狀面）側(cè)向平面（額狀面）橫向平面（水平面）基本軸：矢狀軸（前后方向）額狀軸（左右方向）垂直軸（上下方向）下肢各關(guān)節(jié)活動范圍：髖關(guān)節(jié)：

前屈0°~150°；后伸0°~15°；內(nèi)收20°~30°；外展30°~45°；外旋40°~50；內(nèi)旋40°~45°

膝關(guān)節(jié)：屈30°，伸180°（以大腿桿為x軸）設(shè)計要求

(1)合理設(shè)計系統(tǒng)的擬人化機構(gòu)這包括機械結(jié)構(gòu)和關(guān)節(jié)運動副的優(yōu)化設(shè)計，運動自由度的分配和冗余自由度選擇等

(2)機械材料選擇(原則：安全、舒適、經(jīng)濟)

(3)康復(fù)機械與患者的運動協(xié)調(diào)問題

(4)外骨骼步態(tài)規(guī)劃和生成及運動穩(wěn)定性問題a.離線規(guī)劃，在線校正:依據(jù)人體運動學(xué)統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行步態(tài)規(guī)劃，依靠執(zhí)行器的控制來完成步態(tài)的生成。b.使用已有的人體運動學(xué)統(tǒng)計數(shù)據(jù)實現(xiàn)步態(tài)；讓外骨骼自己跟蹤和學(xué)習(xí)操作者的步態(tài)選取大腿桿范圍390-520mm，小腿桿300-420mm下肢各關(guān)節(jié)運動自由度

人體單側(cè)下肢共有7個自由度，髖關(guān)節(jié)有3個自由度，膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)分別有2個自由度。本課題著重研究是各關(guān)節(jié)在前向平面（矢狀面）內(nèi)繞額狀軸的旋轉(zhuǎn)運動，為了充分鍛煉患者的屈伸能力，選取的各關(guān)節(jié)屈伸值。

機器人參數(shù)的確定在設(shè)計制造康復(fù)機器人時，除了需考慮體積、重量等原因，每設(shè)計增加一個自由度都造成康復(fù)機器人制造成本的增加。因此需要根據(jù)實際的需要，對下肢各個自由度進行取舍，建立一個新的運動模型，使設(shè)計的人體下肢康復(fù)機器人在滿足功能的前提下，最大限度的減少自由度。5.運動學(xué)分析下肢各體段質(zhì)量及質(zhì)心位置

人體下肢體段的質(zhì)量分布和質(zhì)心位置是人機系統(tǒng)的動力學(xué)分析是必不可少的參數(shù)，由于外骨骼式下肢康復(fù)機器人主要針對人體下肢提供動力補償和協(xié)助，因此，需要了解人體下肢各環(huán)節(jié)的參數(shù)，根據(jù)CT法，得出人體下肢各體段質(zhì)量分布及質(zhì)心位置分布圖人體下肢各環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)動慣量

利用CT法確定了轉(zhuǎn)動慣量的回歸方程式

式中：

X1——體重，kg

X2——身高，cm

B0，B1，B2，——二元回歸方程系數(shù)結(jié)合上表，選擇身高為175cm體重為71kg的男性為例計算其大腿慣性指標為

=-3705.377+4.284*71+28.621*175kg

kg.cm2=1607.462kg·cm2

=-3664.899+5.549*71+28.078*175

kg.cm2=1642.73kg·cm2

=318.31kg·cm2

在lr1，lr2和OA組成的三角形中，（令OA=x2+y2）利用余弦定理可得：

然后可以得到角qr2的余弦值qr2有兩個解（其中一個解由虛線表示），根據(jù)機構(gòu)的實際情況可舍去一個解，得：下肢康復(fù)機器人控制方案

控制方案的好壞決定了控制系統(tǒng)整個性能的好壞，而控制系統(tǒng)性能很大程度上決定了下肢康復(fù)機器人的性能?？梢哉f控制系統(tǒng)是下肢康復(fù)機器人的重要組成部分之一，機器人能夠協(xié)助患者完成康復(fù)訓(xùn)練，就必須具有一個功能完善、操作簡潔、靈敏和安全可靠的控制系統(tǒng)結(jié)論 本文結(jié)合國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，分析下肢康復(fù)機器人系統(tǒng)的設(shè)計難點。并通過對人機界面進行研究，分析下肢各關(guān)節(jié)的運動范圍。 而后結(jié)合人體下肢康復(fù)理論，對下肢的運