微型化外骨骼康复辅助系统的设计与实现
下肢外骨骼机器人系统设计与试验分析
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动规律,研究基于人机交互作用原理的力随动控制算法,进行外骨骼机器人样机开发与性能验证,并对其 运动特性和助力性能进行评估.
1柔性外骨骼系统的硬件设计
1.1外骨骼系统结构设计 本文设计的外骨骼系统，由柔性驱动关节、柔性支撑杆和柔性支架构成，柔性外骨骼虚拟样机、实物及
中图分类号:TP2；TH13
文献标志码:A
文章编号：1007-855X(2021)03 -0071 -10
Design and Experimental Analysis of Lower Limb Exoskeleton Robot System
ZHANG Fujie1, LI Zijian1, ZHAO Jianghai2, CHEN Shuyan2, CHEN Danhui2, YU Zhipeng2
自2004年美国加州伯克利大学研制出了第一款液压驱动外骨骼机器人BLEEX以来⑷，国外学者陆 续研发出多款适用于各领域的外骨骼机器人，如日本筑波大学Yoshiyuki Sankai研究团队研制的HAL外骨 骼机器人⑷，适用于脑卒中、肢体残障认识或老年行动机能衰退的患者的康复训练;以色列ReWalkrobotics 研发的ReWalk下肢外骨骼助力机器人和美国伯克利仿生技术公司研发的eLEGS外骨骼系统，都是采用 电池供电的仿生机械腿,在智能手杖的辅助下，协助下肢瘫痪的病人能够再次站立行走⑷；日本Honda Walking Assist辅助装置和韩国SeoKeehong团队研发的轻便外骨骼机器人Gems,结构部件大都采用轻便 的碳纤维材料，总重量均小于4 kg,在髓关节处安装微型电机提供抬腿助力辅助老年人日常行走，用以提 高老年人步态功能和中风患者复健国；美国哈佛大学设计的柔性外骨骼Soft Exosuit,与传统刚性外骨骼不 同，驱动方式采用了气动肌肉,大量取消了刚性元件,实现运动过程中对人体运动的干涉最小化同；与有动 力源的外骨骼机器人不同，无源被动式外骨骼机器人主要通过机械支架牵引和弹性元件储能，将人体运动 过程中的能量循环利用，从而降低穿戴者自身的能量消耗，如加拿大的Mawashi公司为美国海豹突击队研 制的超轻被动型士兵外骨骼系统UPRIS和俄罗斯驻叙利亚的工兵执行扫雷任务用的K-2单兵外骨骼系 统⑺；国外研发的外骨骼机器人还包括新加坡南洋理工大学的LEE、美国Parker公司的Indego、美国Ekso Bionic公司商业化的Ekso等外骨骼机器人囲.
（2-PUR
2023年第47卷第12期Journal of Mechanical Transmission(2-PUR/UPS) &R混联式颈椎外骨骼的设计及运动性能分析宋胜涛魏占宝任毅明武文娇（中北大学机械工程学院，山西太原030051）摘要针对颈椎病患者的颈部牵引康复训练，提出了一种混联式（2-PUR/UPS）&R颈椎康复机器。
该机器具有3R1T共4个自由度，符合人体颈椎的活动度要求；通过对该机器的运动学性能分析，验证其是否可以应用在人体颈椎康复领域。
首先，利用螺旋理论和修正的Kutzbach-Grvble公式对机构的自由度进行求解和验证；其次，通过求解机构的位置反解，得到机构的杆长，编写求解工作空间的程序，利用数值搜索法得到机构的工作空间；最后，通过Adams软件对该机构进行了仿真分析。
结果显示，该机构能够达到颈椎活动所需的范围，其中，前倾后仰为-55°～35°，左旋右旋为-52°～52°，左右侧屈为-45°～45°，能够为颈椎病患者提供牵引治疗。
关键词康复机器颈椎位置反解工作空间Adams软件Design and Kinematic Performance Analysis of the (2-PUR/UPS) &R HybridCervical ExoskeletonSong Shengtao Wei Zhanbao Ren Yiming Wu Wenjiao（School of Mechanical Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China）Abstract In this study, a hybrid type (2-PUR/UPS) &R cervical vertebra rehabilitation machine is proposed for the cervical traction rehabilitation training of patients with cervical spondylosis. The machine has 3R1T four degrees of freedom and meets the requirement of the range of motion of human cervical vertebra. The kinematic performance of the machine is analyzed to verify whether it can be applied in the field of human cervical vertebra rehabilitation. Firstly, the degrees of freedom of the mechanism are solved and verified by using the spiral theory and the modified Kutzbach-Grvble formula. Secondly, by solving the inverse solution of the position of the mechanism, the rod length of the mechanism is deduced, the program of solving the workspace is written, and the workspace of the mechanism is obtained by the numerical search method. Finally, the mechanism is simulated and analyzed by Adams software. The results show that the mechanism could reach the range required for cervical spine movement, including -55° to 35° for forward and backward leaning. Left-handed and right-handed is -52° to 52°; the left and right lateral flexion is -45° to 45°, which can provide traction treatment for patients with cervical spondylosis.Key words Recovery machine Cervical spine Inverse solution Workspace Adams software0 引言颈椎是人体脊柱中长度比较小的节段，却一直承载着头部的质量，且运动幅度较大，灵活性较高[1]。
一种可提高和改善步行功能的装置：动力下肢外骨骼系统的设计及应用
一种可提高和改善步行功能的装置：动力下肢外骨骼系统的设计及应用王一吉;李建军【摘要】Lower extremity exoskeleton system is a kind of human-machine robot, which combines the artificial intelligence with the power of mechanism. Recent years, the field of lower extremity exoskeleton robots have rapidly evolved and development of relevant technologies have dramatically increased these robots available for facilitating human walking function that could only be imagined a few years ago. Some technologies are so new that they lack the scientific evidence that would justify their use in the real setting. This paper presents an over view of design configurations, control methods and simulation test used for lower extremity exoskeleton robots. Further research efforts are required in order to incorporate many of the new technologies described in this review to promote the development of the lower extremity exoskeleton robots.%下肢外骨骼系统是一种结合了人工智能和机械动力装置的机器人。
三自由度上肢机械助力外骨骼模型设计
三自由度上肢机械助力外骨骼模型设计摘要机械外骨骼是近年来的研究热点，从各类康复机器人的研制到军事上机械战甲的开发，各类成果见诸报端，机械外骨骼的主要功能是协调运动，提供助力，使运动更加轻松省力。
随着我国老年人口的增多以及庞大的残疾人口基数，机械外骨骼的研制在我国有着现实的意义。
本次设计主要针对医院，敬老院和普通家庭的日常护理，帮助护工照顾失去运动能力的老年人和病患，协助其完成对病人的翻身，转移病床和将病人抱到轮椅上等基本的护理工作。
通过查询中国成年人口平均身体尺寸，估算一个大致的尺寸数据，采用三维建模软件UG进行模型制作，并通过计算校核，设计满足要求的弹簧，最后将三维图形装配起来，验证本次机械外骨骼的合理性。
为了实现协调助力的目的，本次设计的机械外骨骼在关节处采用了创新的机械结构，外部的大轮嵌套在内轮上，弹簧内置，既保证了材料的刚度强度要求，又保证了结构的合理性。
随着科学技术的提高，机械外骨骼助力系统朝着更加先进化，智能化和小型化的方向发展，新材料新加工工艺的采用，人工智能的应用都在促使此类研究的不断发展。
关键词：机械上肢外骨骼；三维建模；助力；压缩弹簧；护理Three - degree - of - freedom upper limb machinery for externalskeletal designAbstractMechanical exoskeleton is a hot research topic in recent years, the development of various types of rehabilitation robots into military mechanical armor development, all kinds of results reported in the newspapers, the main function of mechanical exoskeleton is the coordinated movement, provide assistance, is the movement more easily. With the increase of the elderly population and the large population base of disability, the development of mechanical exoskeleton is of practical significance in china. This design mainly aims at the hospital, the daily nursing homes for the elderly and ordinary families, help carers lose ability to exercise the elderly and sick, assist the patient to turn over, transfer will hold to the wheelchair beds and patient basic nursing work. By querying the average body size China adult population, estimated a general size data, using 3D modeling software UG modeling, and through the calculation of the design to meet the requirements of the spring, the 3D assembly, the validation of the rationality of mechanical exoskeleton. In order to achieve the goal of boosting coordination, the design of the mechanical exoskeleton of the mechanical structure innovation in the joints, the external gear wheel spring, nested, built-in, ensure the stiffness and strength of materials, but also ensure the rationality of the structure. With the improvement of science and technology, mechanical exoskeleton power system towards a more advanced, intelligent and miniaturization, the new processing technology of new materials, the application of artificial intelligence are constantly promote the development of this kind of research.Key words: Mechanical upper limb;Exoskeleton;3D modeling;Power assisted compression; Spring care目录1 前言 (1)1.1 项目分析 (1)1.2 研究现状 (1)1.3 研究难点 (2)2 人体结构及运动学分析 (5)2.1 人体结构学分析 (5)2.2 项目方案分析 (5)2.3 人体基本尺寸数据 (6)2.4 上肢运动特性 (7)3 关键节点结构的设计与分析 (10)3.1 结构方案分析 (10)3.2 外骨骼各部件的拆分 (11)3.3 设计参数的确定 (11)3.4 上肢机械助力外骨骼的运动学分析 (12)4 外骨骼各部件的设计 (16)4.1 肘关节设计 (16)4.2 肘关节弹簧的设计计算 (17)4.3 肩关节的设计 (23)4.4 肩关节弹簧的设计 (24)4.5 腕关节及手掌支板的设计 (29)4.6 前臂与上臂的设计 (29)4.7 脊背的设计 (30)5 上肢机械外骨骼装配图 (32)5.1 三维建模软件UG介绍 (32)5.2 上肢机械助力外骨骼装配图 (32)5.3 基于UG软件的上肢结构运动仿真 (34)6 总结与展望 (38)6.1 总结 (38)6.2 展望 (38)1 前言1.1 项目分析在目前的中国社会中，60岁以上的老年人口越来越多，据第6次全国人口普查的数据可知[1]：全国60岁以上人口为177648705人，占总人口的比例为13.26%，与2000年第五次人口普查数据相比，60岁以上老年人口比重上升了2.93个百分点，由国际惯例可知，当一个国家或地区60岁以上的老年人口占人口总数的10%，或65岁以上老年人口占人口总数的7%，即意味者这个国家或地区进入了人日老龄化社会，因此我国早已进入了人口老龄化社会，而且老龄化程度在提高。
康复外骨骼机器人的研究现状及发展趋势探讨
康复外骨骼机器人的研究现状及发展趋势探讨作者：刘恒白泽杨陈俊宇李博皓魏俏俏来源：《机电信息》2020年第09期摘要：康复外骨骼机器人是一种可穿戴的、模仿人体生理构造的医疗机械装置，穿戴于患者肢体外侧，辅助患者进行日常活动和康复训练。
近年来，人工智能、传感、生物医学等先进技术不断发展，吸引了国内外各科研院所、机构对康复外骨骼系統进行进一步的研究。
现阐述国内外不同控制方式的外骨骼机器人的研究现状，并对康复外骨骼机器人的发展趋势进行分析和总结。
关键词：康复外骨骼机器人;现状;趋势0 引言“外骨骼”（Exoskeleton）这一名词最早来源于一个生物学概念，指的是昆虫等节肢动物的身体结构。
随着人工智能、传感、生物医学等先进技术的不断发展，外骨骼机器人技术于近20年间取得了空前进步，且广泛应用于医疗、军事、工业等领域。
早期对于外骨骼机器人的研究主要是为了提高士兵的行动和负重能力，而随着医疗需求的不断增长，在全球老龄化趋势加重的背景下，康复外骨骼机器人成为世界各国研究的新方向。
这类装置不仅是中风、脊髓损伤引起的运动障碍康复训练的重要技术手段，还能够帮助卒中患者、脑外伤患者解决行走障碍等问题，因而应用潜力巨大。
目前，康复外骨骼机器人种类繁多，厂家主要有以色列的ReWalk公司、美国的Ekso Bionics公司、日本的Cyberdyne公司、Honda公司和新西兰的Rex公司等。
我国对康复外骨骼下肢助力机器人的研究始于21世纪初，目前正处于起步阶段。
各研究机构在参考借鉴国外先进康复外骨骼助力机器人的基础上，加以自身的创新与研发，已有不少康复外骨骼助力机器人样机问世，也有相当不错的表现。
1 国外研究状况日本筑波大学Cybernics研究中心于1995年研制的原型机HAL（Hybrid Assistive Limb）是一款较早的外骨骼动力服。
该外骨骼机器人的设计初衷是帮助年迈者和残疾人进行康复运动[1]。
该康复外骨骼机器人本质上是一种可穿戴式行走用机器人，当使用者试图行走时，大脑会通过神经向肌肉发送电生理信号，HAL通过传感器可以在人体的皮肤表面捕捉到这种电信号，并激活伺服系统，驱动电动马达迅速动作。
智能下肢外骨骼康复系统
智能下肢外骨骼康复系统作者：李叶来源：《设计》2021年第22期看点大脑重建原理个性化主动辅助仿生、轻量、易穿戴、易转运脑卒中患者及时有效康复介入可以极大提高康复效果，降低致残率。
丞辉威世下肢外骨骼机器人覆盖康复全周期，首创脑卒中偏瘫从卧位到步态训练及步态评估的完整智能化解决方案，帮助更多患者恢复行走。
丞辉威世智能下肢外骨骼康复系统根据大脑重建原理，将任务导向练习和智能康复机器人训练结合，帮助患者协同完成有控制性的运动功能训练（卧位训练、坐站训练、平衡训练及步态训练），通过重复的强化训练，从而促进大脑中枢神经系统的功能重建。
基于人工智能技术实现意图侦测，基于机器学习实现个性化主动辅助;适用多种康复场景，云端数据平台加持，使康复辅助更智能科学;产品仿生、轻量、易穿戴、易转运。
针对于脑卒中等导致下肢运动功能障碍的患者进行坐站转移、站位平衡及步态训练。
通过坐站、行走训练，恢复身体机能，达到步行功能康復效果，帮助患者回归日常生活和工作。
深圳市丞辉威世智能科技有限公司是一家依托自身优秀团队和合作伙伴在康复医疗、人工智能等领域拥有雄厚技术实力，专业从事康复机器人、助力机器人和相关高科技产品研发、生产、销售的国家高新企业。
公司研发的智能下肢外骨骼康复系统包含两款产品，其中的步态下肢外骨骼康复训练机器人获得了本年度德国红点奖，卧式外骨骼康复训练机器人获得了本年度的金芦苇奖。
《设计》梁余意深圳市丞辉威世智能科技有限公司智能下肢外骨骼康复系统设计师，产品经理《设计》：产品前期调研发现了市场、产品和用户的哪些痛点？得出怎样的结论？梁余意：我们在前期走访医院的过程中，发现脑卒中患者在医院现有的康复环节中的早期阶段，康复设备的使用是缺失的，主要的康复效果还是来自康复师的手法的治疗，但是我国康复师的缺口很大，并且一天下来康复师需要为8～10位以上的患者进行手法治疗，对于康复师而言工作强度非常强。
对于患者而言，在脑卒中早期的卧床阶段，由于神经回路被阻断，患侧肢体由于无法运动开始肌肉萎缩和痉挛，这也是常见到脑卒中患者患侧的下肢比健侧下肢更为瘦弱的原因，而康复训练越是早期介入，患者预后的效果越好。
下肢外骨骼康复机器人设计及其运动学分析
下肢外骨骼康复机器人设计及其运动学分析夏田;桓茜;陈宇;徐建林;韩瑞琪【摘要】A rehabilitation device of human lower limb exoskeleton is designed for walking aids and rehabilitation training using the way of motor drive.By establishing the D-H (Denavit-Hartenberg) model of lower limb exoskeleton,the coordinate equations of hip joint,knee joint and ankle joint are derived.The kinematics simulation of lower limb exoskeleton is performed under the ADAMS environment.The coordinate curves of hip,knee and ankle joints are analyzed.The results show that the joints of the lower limb exoskeleton have a continuous trajectory in space.%采用电机驱动方式,设计一种用于辅助行走和康复训练的人体下肢外骨骼康复装置.将下肢外骨骼简化为矢状面内的五杆机构,建立相应的D-H(Denavit-Hartenberg)模型,推导出一个步态周期内髋关节、膝关节、踝关节和脚尖的坐标方程.在ADAMS环境下,对下肢外骨骼进行运动学仿真分析,所得到的髋关节、膝关节和踝关节的坐标变化曲线表明:下肢外骨骼各关节在空间中具有连续的运动轨迹.【期刊名称】《华侨大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2017(038)004【总页数】5页(P452-456)【关键词】下肢外骨骼;五杆机构;运动学方程;D-H模型;仿真分析;ADAMS软件【作者】夏田;桓茜;陈宇;徐建林;韩瑞琪【作者单位】陕西科技大学机电工程学院, 陕西西安 710021;陕西科技大学机电工程学院, 陕西西安 710021;陕西科技大学机电工程学院, 陕西西安 710021;陕西科技大学机电工程学院, 陕西西安 710021;陕西科技大学机电工程学院, 陕西西安 710021【正文语种】中文【中图分类】TP2422015年底，我国60岁以上的老年人口约占到总人口的16%，呈现出老龄化趋势.老年人的行走运动障碍问题已经成为社会运作的一个巨大压力.用于辅助康复和治疗的机器人越来越多地被用来帮助老年人、残疾人和运动障碍患者进行辅助行走和康复训练，机器人辅助下肢康复的领域也得到了迅速地发展[1-4].下肢外骨骼康复机器人是一种具有一定可穿戴性的机械系统装置，要求外骨骼装置与人体下肢高度地耦合以辅助人体下肢运动，即要求其工作原理应尽可能地满足人体下肢的运动机理，实现一种整体的协调运动.本文采用电机驱动方式，设计出一种下肢外骨骼机械结构，建立了下肢外骨骼的D-H(Denavit-Hartenberg)运动学模型，并在ADAMS环境下对其运动学方程进行了仿真分析.一个步态周期是指从一侧足跟着地到该足跟再次着地所经历的时间，如图1所示.以右腿(图中黑色部分)为研究对象，将整个步态周期划分为3个典型的步态时相，包括单腿支撑相、双腿支撑相和摆动相.其中，支撑相表示足部和支撑面之间接触，摆动相表示足部和支撑面之间离开[5].一个步态周期内，左侧腿和右侧腿上髋关节、膝关节和踝关节的屈/伸角度(α)随着时间(t)的关系曲线，如图2所示.由图2可知：髋关节屈/伸的活动度为-2.40°～29.00°；膝关节屈/伸的活动度为1.25°～54.00°；踝关节背屈/趾屈的活动度为-4.00°～33.00°.2.1 下肢外骨骼结构特征下肢外骨骼结构特征，如表1所示.对人体下肢向机械进行简化，将大小腿及脚骨头视为刚性杆件，髋关节、膝关节和踝关节视为杆件之间的运动副，肌肉组织则起着驱动的作用.2.2 下肢外骨骼机械结构设计一种电机驱动型的仿人型下肢外骨骼康复机器人，如图3所示.它主要包括动力源、背带架、髋部支架、髋部驱动、膝部驱动和踝部机构等.根据各关节的力矩，在下肢外骨骼髋关节和膝关节处分别设计一个驱动电机，髋关节处电机和大腿部采用垂直布置方式；膝关节处电机和小腿采用平行布置方式，并且电机和膝关节之间设计一个直角锥齿轮的换向装置.这种布位方式使膝关节处的横向尺寸减小，提高了膝部安装和驱动的稳定性，更加有利于人体的正常平稳行走.人正常行走时，踝关节背屈/趾屈运动的重要性更为突出，又因踝关节自身空间比较狭小，且大多数踝关节处的扭伤主要发生在背屈/趾屈上，故踝关节处的设计只保留实现人体踝关节背屈/趾屈运动的1个自由度.各关节的自由度处分别设计有限位结构的功能，以满足各关节的活动度.此外，身高160～180 cm的人群大小腿长度变化范围约6 cm，故在下肢外骨骼大小腿构件上有6 cm以上的长度调节.3.1 D-H模型的建立下肢外骨骼机器人是一种由多个刚性构件串联而成的开环链式结构[6].由于下肢外骨骼的对称性，只需建立一侧外骨骼的模型即可，将其简化为五杆模型，如图4所示.图4中：O0X0Y0Z0是建立在背带架和髋部支架连接处的坐标系；O1，O2和O3分别为髋关节(屈/伸)、膝关节(屈/伸)和踝关节(背屈/趾屈)的运动坐标系原点；l1，l2，l3和l4分别为髋部支架、大腿、小腿和脚部构件的长度；θi为杆件i 与坐标系x轴之间的夹角；αi为相邻坐标系z轴之间的夹角；di为相邻坐标系z轴之间的距离.在矢状面内，各关节的轴线和坐标系原点均在同一平面内，故αi=0，di=0，下肢外骨骼D-H模型的运动参数，如表2所示.下肢外骨骼D-H模型中相邻杆件的位姿矩阵分别为3.2 运动学分析下肢外骨骼的运动学正问题是根据图1所知的各关节的角度随时间的变化关系曲线，求解各关节相对于坐标系O0X0Y0Z0的位置和姿态，进而得到步态周期内各关节随时间的轨迹变化曲线.下肢外骨骼膝关节、踝关节及脚尖相对于坐标系O0X0Y0Z0的位姿矩阵分别为上式中:R02，R03和R04分别表示膝关节、踝关节和脚尖的姿态；P02，P03和P04分别表示膝关节、踝关节和脚尖的位置.又因髋关节、膝关节和踝关节分别为其运动坐标系的原点，根据齐次坐标变换原理，可知各关节及脚尖在矢状面内相对于坐标系O0X0Y0Z0的齐次坐标方程为上式中:dhip,dknee,dankle和dtoe分别为步态周期内髋关节、膝关节、踝关节和脚尖的坐标方程.取θ2=90°，θ3=0°，θ4=90°，即为人体站姿，θ2′=0°，θ3′=90°，θ4′=90°，即为人体坐姿，将其分别代入上式，则可得两种姿态下各关节的坐标为根据各关节的坐标式可知，人体正常站和坐时，下肢外骨骼机器人的各关节的位姿符合要求，说明下肢外骨骼的运动学分析是正确合理的.4.1 ADAMS环境下的仿真将图2所示的下肢外骨骼机器人的简化模型导入ADAMS中，分析其在一个步态周期(1.5 s)中矢状面内的髋关节、膝关节和踝关节的运动轨迹变化曲线，验证下肢外骨骼装置模拟人体行走的合理性，有如下3个主要分析过程.1) 下肢外骨骼各关节连接处定义为旋转副约束，在髋部支架的质心位置设定为移动副约束,在脚部构件与行走支撑面之间设定为接触力约束(solid-solid)[7].2) 图1所示一个步态周期内各关节的角度随时间的变化数据，将其保存为.txt格式，导入ADAMS中生成左腿和右腿各个关节的Spline曲线函数[8-9].3) 在各关节的旋转副约束处设定为旋转驱动，并将各关节的驱动函数修改为AKISPL (time，0，SPLINE_1，0)*1d，AKISPL (time，0，SPLINE_2，0)*1d等. 人体正常行走的步态周期为1.5 s，故仿真时间设定为1.5 s.图5为一个步态周期内样机模型的仿真运动.图5中：各关节具有连续的运动轨迹，可以满足下肢运动的可达性，符合人体正常行走的运动特征.以下肢外骨骼的右侧腿为例，仿真结束后，在坐标系O0X0Y0Z0对应的位置处创建Marker点(即坐标点O0)，分别测量髋关节、膝关节和踝关节相对于该Marker点的距离变化曲线，如图6所示.4.2 仿真结果分析下肢外骨骼在一个步态周期内，髋关节(屈/伸)设计在髋部支架的下端，髋关节的坐标原点O1相对于坐标点O0在X和Y方向上的运动是不变的，故髋关节水平方向和竖直方向的变化曲线为一条直线(图6(a)).其中,竖直方向的50 mm为实体结构中髋关节中心与髋部支架之间的杆件长度，而在D-H模型的理论分析中，未考虑结构的实际装配，故dhip的y值为0.膝关节(屈/伸)和踝关节(背屈/趾屈)的坐标原点O2和O3相对于坐标点O0在X 和Y方向上的运动是变化的.图6(b)中：0.5 s时刻，下肢外骨骼右侧腿的大腿处于竖直支撑状态，膝关节水平方向上与O0点的距离为125 mm，膝关节竖直方向有最大值546 mm，即右侧腿的膝关节中心与髋部支架之间的杆件总长度为546 mm(图2中大腿杆件长496 mm)；1.12 s时刻，右侧腿的大腿摆动到最大位置，膝关节水平方向有最大值353 mm，竖直方向有最小值483 mm.图6(c)中的最大值942 mm表示在竖直支撑状态时踝关节中心与髋部支架之间的杆件总长度(图2中小腿杆件长396 mm).1) 采用电机驱动方式，设计出一种人体下肢外骨骼康复装置，并且膝关节和电机之间设计有直角锥齿轮的换向装置，踝关节处的设计只保留1个实现踝关节背屈/趾屈运动的自由度，各关节的自由度处分别设计有限位结构的功能.2) 在矢状面内，将下肢外骨骼简化为五杆机构，建立其D-H数学模型，推导出一个步态周期内髋关节、膝关节、踝关节和脚尖的运动学方程.3) 通过ADAMS的仿真分析，得到髋关节、膝关节和踝关节的坐标变化曲线，结果表明:各关节在空间中具有连续的运动轨迹，并且各关节仿真曲线符合理论分析，为下肢外骨骼的结构设计和运动学研究提供重要的依据.【相关文献】[1] CHEN Bing，MA Hao，QIN Laiyin，et al.Recent developments and challenges of lower extremity 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老年人康复辅助机器人系统设计与实现
老年人康复辅助机器人系统设计与实现一、简介老年人康复辅助机器人系统（Robotic Rehabilitation System for Elderly People）是一种基于现代科技与康复治疗技术相结合的健康辅助系统。
该系统在康复治疗中，根据患者的病情，自动发送指令，控制机器人的动作并监控患者的身体反应，以帮助老年人恢复身体功能与代谢平衡。
本文将对老年人康复辅助机器人系统的设计及实现进行探讨。
二、功能需求1. 运动康复功能——用于康复患者的运动恢复与锻炼。
2. 动作指导及数据分析——根据康复医生提供的康复方案，为康复者提供动作指导和数据分析。
3. 健康监测——对患者的身体状况进行实时监测，记录患者身体数据变化。
三、系统设计老年人康复辅助机器人系统设计从功能性和可操作性两个方面出发：1. 功能性设计以康复患者为中心，针对患者在康复过程中所需的功能，设计功能模块，保证机器人系统实现以下功能：（1）电动滑轨——电动驱动的机器人底部，患者坐在电动滑轨上，可以在规定的区域内游动，方便患者运动。
（2）可调节臂支架——支撑患者的两臂，可以根据患者的身体状况和康复方案进行调整，保证患者康复运动的有效性。
（3）传感器组件——通过传感器组件，实时记录患者的身体运动状况，实现全方位监测。
（4）智能控制系统——依据患者康复方案，控制机器人动作，提供动作引导，以避免患者在运动时受伤。
（5）数据处理与分析模块——对患者进行身体数据的分析，以更好地了解患者的运动情况，提高康复效率。
2. 可操作性设计为保证老年人能够顺利操作机器人系统，我们要充分考虑到老年人的生理和心理状况，保证系统的易用性和稳定性：（1）机器人人性化设计——机器人外形符合人体工程学，让患者在操作中更加自然舒适。
（2）简单易用的操作界面——为了降低操作难度，我们将开发一套直观、易操作的界面，让年迈的患者能够快速上手，并享受操作带来的乐趣。
（3）人性化提示与帮助——凭借机器人中心智能控制系统与数据分析模块，我们将对用户的使用情况进行实时监测，为用户提供友好的提示和帮助，让他们在使用中得到最好的体验。
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微型化外骨骼康复辅助系统的设计与实现
随着人口老龄化的加剧和现代生活方式的改变，越来越多的人
面临着运动障碍和其他健康问题，其中包括各种形式的肢体瘫痪、关节炎和其他运动障碍等。
这些问题不仅给个人带来痛苦，也对
社会和经济带来了负面影响。
然而，随着科技的进步和医疗技术
的发展，我们现在有了一些解决这些问题的工具和技术，其中之
一就是微型化外骨骼康复辅助系统。
一、概述
外骨骼康复辅助系统是一种可以帮助运动障碍患者恢复运动功
能的智能机器人技术，它通过机械系统和传感器技术，帮助运动
障碍患者矫正肢体姿态，增强肌肉力量，提高身体协调性，从而
促进康复。
外骨骼康复辅助系统通常由上下肢外骨骼、控制电路
和计算机软件等组成，其中外骨骼是由机械元件、电气元件和传
感器等组成，通过计算机算法和控制器进行动作控制。
二、设计方案
微型化外骨骼康复辅助系统的设计需要考虑以下几个方面：
1. 动力系统
外骨骼康复系统需要有一个强大的动力系统，才能满足临床治
疗的需求。
目前，外骨骼的动力系统通常采用电动驱动和气压控
制两种方式。
电动驱动适用于需要更高的力矩和速度的运动，而气压控制适用于需要更高的精度和灵活性的动作。
2. 传感器技术
外骨骼康复系统需要有高精度的传感器技术，才能准确的感知患者的运动状况，从而进行有效的辅助治疗。
目前较为常用的传感器技术有惯性测量单元（IMU）、压力传感器和电池计等。
3. 控制算法
外骨骼康复系统的控制算法需要更好地适应患者运动的需要。
好的控制算法应能提供一个更加柔和、平稳的动作，使得患者的运动能够更加顺畅，从而避免再次受伤。
4. 人机交互
外骨骼康复系统的人机交互需要越来越好的满足患者的需求，提高使用的效率和精度。
好的人机交互应该能够更加适合患者的操作习惯，从而便于操作和使用。
三、实现步骤
从设计到实现，微型化外骨骼康复辅助系统的实现步骤主要包括以下几个方面：
1. 设计系统结构和原理
系统的结构和原理设计是微型化外骨骼康复辅助系统实现的第
一步，需要对系统的动力、传感、控制和人机交互等方面进行详
细的设计和分析，从而确定系统实现的基本构架和技术路线。
2. 制作外骨骼和传感系统
外骨骼是实现系统功能的核心部分，需要选择优质的材料和生
产工艺，并采用现代科技手段制作精确度和稳定性较高的外骨骼。
传感系统则需要选择标准化的传感器和通讯协议，并根据系统的
设计要求进行集成。
3. 编写控制算法和人机交互程序
控制算法是实现系统自主运行的核心算法，需要根据系统的结
构和传感系统设计自适应的控制策略。
人机交互程序需要实现较
为友好的交互界面和实时控制功能，从而提高系统的易用性和用
户满意度。
4. 系统测试和优化
系统的测试和优化应该包括系统功能和通讯稳定性、实时性、
精度和可靠性等方面的测试和评价。
测试结果可以反馈给系统设
计者，优化系统的结构和参数。
四、结论
微型化外骨骼康复辅助系统是一种可行和有效的康复方案，其设计和实现需要有良好的专业知识和技术支持。
未来，随着科技的不断发展和医疗技术的进步，微型化外骨骼康复辅助系统将成为康复医学领域的重要发展方向之一。