下肢康復機器人穿戴式機械腿機構設計含開題、9張CAD圖

下肢康復機器人穿戴式機械腿機構設計含開題、9張CAD圖,下肢,康復,痊愈,機器人,穿戴,穿著,機械,機構,設計,開題,cad XXX設計（XX）開題報告 設計（論文）題　目 穿戴式機械腿機構設計 題目來源 題目類型 為結合科研 指導教師 學生姓名 學 號 專 業(yè) 開題報告內容：（調研資料的準備與總結，研究目的、要求、思路與預期成果；任務完成的階段、 內容及時間安排；完成畢業(yè)設計（論文）所具備的條件因素等。） 本畢業(yè)設計（論文）課題應達到的目的： （1）培養(yǎng)學生的調查研究以及資料、信息的獲取、分析等綜合能力； （2）培養(yǎng)學生的工程設計能力，主要包括設計、計算及繪圖能力； （3）培養(yǎng)學生的綜合運用專業(yè)理論知識，分析解決實際問題的能力； （4）培養(yǎng)學生的在設計過程中使用計算機的能力； （5）培養(yǎng)學生的撰寫設計說明書、論文的能力； （6）培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力和創(chuàng)新精神。 本畢業(yè)設計（論文）課題工作進度計劃： 起止日期 工 作 內 容 2014-02-22~2014-03-31 2014-04-1～2014-05-30 2014-06-01～2014-06-07 畢業(yè)設計開始，查閱中外文資料，完成外文翻譯，完成實習調研和實習報告，完成開題報告； 進行畢業(yè)設計，接收畢業(yè)設計中期檢查，根據設計要求，進行機械結構原理設計和結構設計，撰寫畢業(yè)設計論文； 修改完善畢業(yè)論文、準備畢業(yè)答辯、整理畢業(yè)設計期間的所有資料、成果并歸檔。 　 文 獻 綜 述 一、課題研究的內容及意義 穿戴式智能設備”是應用穿戴式技術對日常穿戴進行智能化設計、開發(fā)出可以穿戴的設備的總稱，如Ekso Bionics機械腿，鞋等。 機械腿的研究是步行機器人研究的核心內容。步行機器人是一個交叉學科的研究，它涉及仿生學、機械學、控制學及信息處理技術等。步行機器人在多個行業(yè)具有很多應用優(yōu)勢，逐漸成為國內外機器人研究領域的一個熱點。步行機器人與其他履帶式、輪式機器人相比，具有以下的運動特性。 (1)步行機器人具有良好的地面自適應性 步行機器人可以在復雜的地形上利用離散的點來選擇最優(yōu)的地面支撐點，并且可以跨越一定的障礙物。 (2）步行機器人的腿部運動系統(tǒng)比較穩(wěn)定 步行機器人的腿部運動系統(tǒng)可以保證身體相對地面的穩(wěn)定，因其腿部具有多個自由度，靈活性大，同時可以通過調節(jié)腿的伸展度來調整重心，因此不易翻倒，穩(wěn)定性高。 仿人機器人作為步行機器人的一種形式，是提高機器人機動性和節(jié)省能源的一條重要途徑。仿人機器人是機器人研究領域最高研究成果的代表。相對于其他機器人，仿人機器人具有人的外形，并具備良好的人機交互能力，所以在娛樂服務等領域，仿人機 器人具有更明顯的優(yōu)勢。 仿人步行機器人具有諸多的優(yōu)勢，使其成為日前研究的熱點。為使機器人腿部能協(xié)調而穩(wěn)定的運動，機械結構設計和控制系統(tǒng)算法的研究都比較復雜，使其研究充滿挑戰(zhàn)。 二、課題國內外現狀 1.國外研究現狀 2000年，德國自由大學Hesse Stefen等人研制了一種下肢康復訓練機器人MGT 。 2001年，德國弗朗霍費爾研究所(Franhofer Institut IPK)基于吊線木偶原理，研制了一種繩驅動式下肢康復訓練機器人Stringman，配合踏步車使用。 Ekso Bionics，是一款可穿戴的、通過電池供電的仿生機械腿，將之穿在身上后，它可以提供必要的支撐力，讓人重新站立。而且整套系統(tǒng)還采用了仿生設計，以內置電動馬達為動力，當人們把它穿在身上，就能重新獲得行走的能力！ Ekso Bionics圖 2.國內研究現狀 在下肢機器人方面，國內研究起步較晚，取得的成果也不多。目前的研究機構主要有上海大學、浙江大學、哈爾濱工業(yè)大學和哈爾濱工程大學等。具有代表性的是:哈爾濱工程大學開發(fā)的輔助型下肢康復訓練機器人和浙江大學開發(fā)的可穿戴式的下肢步行外骨骼。從2004年，中科院合肥智能機械研究所也開始從事相關的研究工作。 2002年，哈爾濱工程大學機電一體化研究所研制出了一種下肢康復訓練機器人樣，如圖1-16所示，該機器人由三自由度步態(tài)機構、姿態(tài)機構和重心平衡機構等組成。其優(yōu)點是可實現腳的姿態(tài)調整，在機器人的遠程控制技術、虛擬現實技術及減重控制策略方面進行了實驗或仿真研究，后續(xù)研制并開發(fā)了可與該機器人配合使用的四自由度繩索牽引骨盆運動并聯康復機器人。 2006年，上海大學機電工程與自動化學院也研究了一套可穿戴式助力機械腿，如圖1-17所示。單側下肢有兩個自由度，分別為骸關節(jié)屈/伸和膝關節(jié)屈/伸。 2007年，哈爾濱工程大學機電一體化實驗室的研究小組研制了被動式步態(tài)康復訓練器。2009年，該研究小組又提出了步態(tài)訓練機器，機器人可控制雙足矢狀面內六自由度的運動，具有承載能力強，步幅、步態(tài)、足底姿態(tài)可靈活調整等優(yōu)點。通過不同的軌跡規(guī)劃，機器人能夠模擬上、下樓梯，平地行走等步態(tài)動作。利用柔順控制等多種控制策略，可模擬沙地、草地等多種路況的行走。實驗研究表明，該機器人可實現多種步態(tài)的控制，且具有較好的訓練效果。 三.發(fā)展的趨勢 2006年《中國人口老齡化發(fā)展趨勢預測研究報告》表明，到2023年，我國老年人口將達到2.7億，與0-14歲少兒人口數量相等。而到2051年，中國老年人口規(guī)模將達到峰值4.37億，約為少兒人口數量的2倍。針對我國人口老齡化的口益嚴重、腦卒中患者數量多、治療醫(yī)師資源缺乏的情況，開發(fā)一種可以為偏癱、截癱等肢體殘疾人員及體弱老年人提供康復訓練和助行服務的機器人，對降低老年人跌倒的比例、幫助偏癱患者樹立重新行走的信心、提高老年人獨立生活的質量減輕社會負擔具有重要的研究意義。同時，機器人輔助設備可以極大的降低康復師的工作量，促進患者的主動參與，可以客觀的評價康復訓練的強度、時間和效果，使康復治療更加系統(tǒng)化和規(guī)范化。 穿戴式機械腿應用于醫(yī)療上越來越多，幫助殘疾人站起來。 盡管目前己經開發(fā)出了多種助行康復機器人，但機器人在機械結構精巧、人機協(xié)調、自動適應用戶的行為、工作延續(xù)性、提高用戶的舒適度等方面還遠遠達不到實際應用的要求。同時，由于目前的康復訓練機器人運用于臨床康復的訓練方案、訓練的評價方法等還處于摸索階段，機器人技術完全應用于臨床康復訓練還需要深入、系統(tǒng)的研究和探索。因此，對機器人進行改良，開展與其它臨床康復方法的有機結合以提高其臨床康復效果，擴展其治療手段是非常有必要的。 綜上所述，研究助行康復機器人技術，使其滿足康復訓練、輔助行走、節(jié)省能耗、攜帶方便等需要，并且更加符合人體生理習慣，令使用者步態(tài)更自然，提高老年人的生活質量，減輕社會負擔，使其真正服務于需要的人，有著重要的意義。 四.存在的問題 近年來，關于外骨骼機構的人一機運動相容性設計問題開始得到研究者的關注，一些研究者對上肢外骨骼機構的運動相容性進行了分析，并基于人機工程學原理對上肢外骨骼機構的運動學設計方法進行了研究。但是對下肢康復機器人機構的人一機相容性問題以及影響人一機相容性的因素方面研究較少，主要問題如下。 (l)人一機聯接模式對人一機相容性的影響現有下肢康復機器人中，人一機之間采直接綁縛或通過穿戴具以緊致穿戴的形式相聯接，缺乏有關人一機聯接模式和約束性質的深入研究，更未分析聯接模式對人一機運動相容性的影響。 (2)機構構型對人一機相容性的影響現有的下肢康復機器人機構的骸關節(jié)多采用單自由度回轉副或由2個回轉副進行運動等效，膝關節(jié)為單自由度回轉副，機構的尺度參數根據下肢骨胳的比例和長度確定。優(yōu)點是機器人機構的構型相對簡潔且機構的設計簡便易行。但機器人機構的關節(jié)數目少于下肢骨骼的關節(jié)數目，而且對應關節(jié)的運動屬性也有所不同，構型的選取會直接影響人一機之間的運動相容性。 (3)機構參數優(yōu)化對人一機相容性的影響由于下肢康復機器人機構與人體骨骼機構在關節(jié)數目、關節(jié)運動特性上的差異以及機器人機構的外掛屬性，若機器人機構參數或聯接參數設計不夠合理，也會導致人一機運動不相容，在聯接部位發(fā)生運動干涉與沖突。 此外，在機構設計中，材料選擇、結構美觀和機構可調性等也是研究的重要問題。 本課題要研究或解決的問題和擬采用的研究手段（途徑） 1.研究或解決的5大問題 (1)可穿戴性要好:下肢外骨骼康復機器人要有良好的可穿戴性經過簡單的訓練即可非常容易順利快速地穿脫。 (2)可調節(jié)性要強:下肢外骨骼康復機器人面向的患者群體年齡跨度大，外骨骼應能適應各種身高體重的患者，因此其在長度及寬度方向都應能調節(jié)以適應不同患者穿戴。 (3)結構要輕巧:外骨骼機器人應盡量輕巧、簡便方便穿戴和驅動，節(jié)省能源。 (4)相互干擾性要小:盡量減小人與外骨骼的直接接觸面，減小人機相互干擾，從而減小對人體各方面的限制。 (5)柔順、舒適性要好:下肢外骨骼機器人的運動與人體下肢的運動要具有很好的協(xié)調性。其結構、自由度的配置要與人體結構與自由度相匹配。使穿戴著感覺柔順自然。 2.研究手段 （1）弄清楚穿戴式機械腿機構特點 1穿戴式機械腿的結構布局特點 機械腿通過三個電機驅動，實現膝關節(jié)和踝關節(jié)的運動，類似于人體膝關節(jié)和踝關節(jié)的結構特點，其驅動裝置安放在固定件的位置上。該機構的運動桿件不必承載驅動電機的重量，減少了電機數量，這種擬人機械腿具有結構簡單、承載能力強、運動慣性小、運動靈活等優(yōu)點，克服了傳動系統(tǒng)復雜、動態(tài)特性差等缺點。 這種穿戴式機械腿的結構布局特點如下:①三個直線移動副P1、P2和P3相互平行;②三個直線移動副P1、P2和P3均安裝在基座上;③當桿FO2垂直于而MNO2、平行于桿FO1，且各移動副輸入均為零時，這種膝關節(jié)和躁關節(jié)機構處于初始位姿。移動副P1、P2和P3的初始長度分別為Lio （i=1,2,3),}Z分別為各直線移動副的輸入位移。建立兩個坐標系:靜坐標系R(O1X1Y1Z1)、動坐標系S(O2X2Y2Z2)，如圖1所示，點O2為這種機構的參考點。 圖1 （2）穿戴式機械腿設計方案 1. 基于機械腿的參數優(yōu)化結果，同時考慮加工與裝配工藝性，給出一種擬人機械腿的設計方案，如圖2(a)所示，這種擬人機械腿與球而三自由度并聯機構(作為擬人骸關節(jié)機構原型)串聯在一起，構成擬人下肢的設計方案，如圖2(b)所示。這種擬人機械腿機構的膝關節(jié)和踝關節(jié)采用4- DOF欠驅動機構為機構原型，通過三個電機實現膝關節(jié)和踝關節(jié)的運動方式，電機等固定件靠近腰部附近，減小電機等固定件產生的力矩，增加腿部的承載能力，減小運動慣性，發(fā)揮并聯機構的優(yōu)點，同時，這種新型擬人下肢可實現任何步態(tài)狀況，具有主動控制步態(tài)的優(yōu)點。因此，這種新型擬人下肢具有結構簡單、承載能力強、運動慣性小、運動穩(wěn)定等優(yōu)點。 圖2（a） 圖2（b） （3）機械腿結構的優(yōu)化 按照機構原理圖的設計圖想，其中較難設計的部分為膝關節(jié)所在支鏈的平面四桿機構而如果完全按原理圖的設計，將轉動副F.通過個單獨的桿件與基座固連，那么機械腿顯得不夠緊湊和靈巧。在傳動副F點的固定問題上可以去掉桿件IF,將傳動副F直接表示 圖3 圖4 圖5 為機架固連，圖3，那么再設計傳動副F只要固連任何與機架相連的地方即可，圖3為了使機械腿的結構史緊湊，將圖3中的AIFJ支鏈翻轉180度.再將點J上的桿件固連到點E 上，如圖4所示，這樣I改動不改變原有的工作原理。移動副采用滾珠絲桿實現，根據改進的機構簡圖，設計了如圖5所小的膝關口聽在支鏈結構設計，扣將轉動副F固定絲杠導軌的基座上，而該基座與機械腿的靜平臺基座固連，這樣使得擬人機械腿結構緊湊，同時減輕重量。 （4）加入胡克鉸結構 胡克鉸（圖6）在并聯機構中使用傾率很高，而該結構的設計直接彩響了整個并聯機構的性能。因為在研究機構的工作空間時，在考慮約束的影響中，胡克鉸兩個方向的轉動范圍是一個重要因素。對這個擬人機械腿機構，沒有桿件之間的干涉，胡克鉸的性能對這個機構性能(工作空間)起了決定性的作用。 圖6 （5）裝配體結構 對三條運動支鏈進行合理布局，避免桿件發(fā)生運動干涉，同時根據裝配工藝要求設計運動支鏈與動、靜平臺的連接方一式。 擬人機械腿的裝配體結構圖如圖7所示。三條運動支鏈通過上、下平臺連接在一起，并通過板件對其加固。電機固定上平臺上，上平臺上與關節(jié)相連。下平臺設計為腳底板，直接與地面接觸。 圖7 （6）機械腿的方案最終實現簡圖 圖8