下肢康复机器人的设计与仿真分析 (1)
下肢康复机器人的设计
分。机械结构部分是实现运动 的主载体 ，患者必须依托
机械 结构 来 实现 康 复运 动 ，而 电控 制系 统 部分 是 实现 运 动 的动 力 。 该机 器 人为 站立 式 ， 电控 制 系 统部 分包 括 电 机控 制 、减 重 系 统 、功能 性 电刺激 系 统 、表面 肌 电采 集
工作量有明显下降。文章研究设计了一种成本低、在理论上有更好的训练效果的针对下肢步态康复机器人。
关键词：康复机器人 ；下肢训练；脑卒 中；脊髓损伤；康复医疗器械 文献标识码 ：Ａ 中图分类号：Ｒ ． ４ ９ ６ 文章编号：１ ０ ０ ９ — ２ ３ ７ ４（ ２ ０ １ ６ ） ３ ５ － ０ ０ ０ ３ － ０ ２ Ｄ Ｏ Ｉ ：１ ０ ． １ ３ ５ ３ ５ ／ ｊ ． ｃ ｎ ｋ ｉ ． １ １ — ４ ４ ０ ６ ／ ｎ ． ２ ０ １ ６ ． ３ ５ ． ０ ０ ２
一
３一
脚 跟 各 一个 ，来 监 控脚 步 压 力 的变 化 ，根 据 压力 变 化 的 情 况 ，系统 能够有相 对应 的 响应 。 伺 服 电机 放 置在 圆盘 中 心 、脚 踏板 侧 面 。其 中放置 在 圆盘 中 心 的伺服 电机 带动 圆盘转 动 ，放 置 在脚 踏 板侧 面 的伺 服 电机 带 动脚 踏 板旋 转 ，使 踝 关节 的角 度 发生 变 化 ，配 合连杆 带动 的平 移运动 ，就完成 了平面 的平移— — 旋转运 动 。而两 个伺服 电机又 是 由一个 智 能的控制系 统控 制 的，就是 电控 制系 统的下位机 部分 ，控制伺 服 电机在 不 同 的步 行 时 间点 旋转 相 应 的角 度 ，完 成 整个 步 行 周期 时 间 序 列 的脚部 位 置 要求 。光 电角 度传 感 器 用来 监 控伺 服 电机 转动 的角度 ，保 障 了该控制 系统 的精度 。 由于 大 部 分 的偏 瘫 患者 运 动 损伤 程 度较 为 严 重 ，对 于 正 常 的站 立都 无 法 靠 自己正常 地 完成 ，更 不用 说 让其 独 立 完成 整 个康 复 训 练 ， 因此设 计 了 一个 减 重系 统 来帮 助 患 者保 持 训 练过 程 中 的平 衡 ，更 容 易地 完 成训 练 。该 减 重 机 构 能 够 根 据 患 者 的 身 高 ，上 下 调 动 手 支 架 的 高 度 ，满 足不 同患者 的 需 求 。主 要 的承 重 部分 由一个 拉 力 绳 来 承 担 ，拉 力绳 通 过 一 系列 的滑 轮 组 来实 现将 患者 升 高和 降低 。 ｒ 功 能性 电刺 激系统 让该机器 人摆脱 了纯被动 式 的康 复 训练 。功能性 电刺激系 统 的作用 原理 主要是通 过施加 的 电 流 的作 用 ，神经 细胞 能够产生 一个与 自然激 发引起 的动作 电位 完 全 一样 的神 经 冲 动 ，使 其 支配 的肌 肉纤 维产 生 收 能性 电刺激 ，患者 下肢 的肌 肉和神经 运动单 元进行刺 激 ， 产生 自主性 的运 动 ，能够达 到和正 常人相 同的步行效果 。 髋 关 节 的相 关 运 动肌 群 有 单 关节 髋 部 屈肌 ，单 关节 髋 部伸 肌 ；膝 关 节 的相 关 运动 肌 群 有腿 筋 、股 二 头肌 、
全方位移动下肢康复机器人的虚拟样机建模和仿真
测试最 佳设 计方 案 的等效数 字化 软模 型 ， 一 定程 度上 反 映产 品 的外 观 、 结构 、 运 动 学 和动 力 学特 性． 其优 点 是 具 有 建 模 简 单 、 快 速， 模 型 可 视 化 强、 参数可调 、 且 能 和 ＭＡ Ｔ Ｌ Ａ Ｂ 等 控 制 系 统 软 件联 合仿 真等 ． 本文 首先 针对 全 方 位 移 动 型下 肢 康 复 机 器 人机 构进 行运 动学 和动力 学分 析 ， 建 立机 器人 运 动学 和动 力学 数学模 型 ， 然后再 采用 Ａ ＤＡ ＭＳ虚
沈
阳
化
工
大
学
学பைடு நூலகம்
报
（ ４ ）假 设 车体 几 何 中心到 各 轮 之 间 的长 度 为ｌ ， ４轮 的半径 相等 ， 正交 角为 ９ ０ 。 ；
（ ５ ）假设 机器人 在一个 平坦 的地 面运动 ， 忽 略 地面 的不规则 情况 ；
其中： ｖ ＝Ｖ Ｃ Ｏ Ｓ ； ｖ ＝ｖ ｓ ｉ ｎ ０ ．
全 方 位 移 动 下肢 康 复机 器 人 的虚 拟样 机 建模 和 仿真
姜 莹 ， 白保 东
（ １ ． 沈 阳化工大学 信息工程学 院 ， 辽宁 沈 阳 １ １ ０ １ ４ ２ ； ２ ． 沈阳工业 大学 电气工程学院 ， 辽宁 沈 阳 １ １ ０ ８ ７ ０ ） 摘 要： 通过 对全方位移动康复机器人的运动 学和 动力 学分析 ， 建 立机 器人 的动 力学控 制模 型，
制成 本 更 高． 基 于此 ， 本 文 研 究 全 方位 下 肢 康 复
全方位移动康复机器人运动学方程的推导 基 于如下 几点假 设 ：
下肢助残训练机器人设计与仿真分析
下肢助残训练机器人设计与仿真分析
张同瓒;卢绍田;王成军;何祎文
【期刊名称】《机械工程师》
【年(卷),期】2024()4
【摘要】针对下肢瘫痪的患者由于肌肉萎缩等原因,需要通过自行锻炼肌肉恢复健康的问题,提出一种可穿戴的下肢助残训练机器人的设计方案,该方案通过机械装置辅助患者下肢的髋、膝、踝等关节部位的训练。
基于市场调研与国内外研究现状,并参考亚洲人下肢的身体尺寸,设计了下肢助残训练机器人用于患者的康复训练,并利用仿真分析软件进行仿真分析,得到了该机器人模型主要关节的运动学参数与静力学参数。
研究结果表明:该下肢助残训练机器人结构设计具有较高的可行性,可实现患者下肢肌肉康复。
【总页数】5页(P86-90)
【作者】张同瓒;卢绍田;王成军;何祎文
【作者单位】安徽理工大学人工智能学院
【正文语种】中文
【中图分类】TP242
【相关文献】
1.下肢康复训练机器人机构运动分析与仿真
2.脚踏式下肢康复训练机器人结构设计及运动学仿真
3.一种新型三自由度下肢康复训练机器人步态机构运动分析及仿真
4.
床边下肢康复机器人结构设计与仿真分析5.下肢康复训练机器人运动学分析及ADAMS仿真
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单腿多自由度下肢康复机器人设计
单腿多自由度下肢康复机器人设计摘要：随着人口老龄化问题的日益突出，下肢康复机器人在康复领域的应用越来越受到关注。
本文以单腿多自由度下肢康复机器人为研究对象，主要研究其设计原理和控制方法。
通过分析康复过程中的关节角度和力矩变化规律，确定了机器人的设计要求。
然后，根据机器人的结构特点，设计了机械结构和传动系统。
通过控制算法实现了机器人的运动控制和力矩控制。
实验结果表明，设计的单腿多自由度下肢康复机器人可以有效辅助患者进行康复训练。
第一节：引言近年来，随着全球人口老龄化问题的加剧，慢性病和运动系统疾病的发病率不断上升。
这些疾病会导致下肢肌肉和关节功能的丧失，给患者的日常生活带来很大困扰。
常规的康复训练方法往往需要人工操作和监督，效率低下且易产生疲劳。
研发一种可靠、高效的下肢康复机器人对于改善患者的康复效果至关重要。
第二节：设计原理单腿多自由度下肢康复机器人可以模拟人体关节的运动，并通过控制力矩来辅助患者进行康复训练。
根据康复过程中的关节角度和力矩变化规律，确定机器人的设计要求。
具体包括：1）机器人需要具备足够的运动范围和灵活性，以满足不同患者的康复需求；2）机器人需要具备较高的精度和稳定性，以保证康复训练的效果；3）机器人需要具备一定的力矩输出能力，以辅助患者进行运动训练。
第三节：机械结构设计根据机器人设计要求，设计了一种基于驱动腿和运动平台的机械结构。
驱动腿由关节和驱动器组成，可以模拟人体膝盖、踝关节和脚踝的运动。
运动平台由运动支架和底座支架组成，可以提供稳定的支撑。
驱动腿和运动平台通过传动系统连接，实现关节的运动。
传动系统采用电机和减速器，可以实现高精度的运动控制。
第四节：控制方法为了实现机器人的运动控制和力矩控制，采用了基于PID控制器的闭环控制方法。
通过传感器获取机器人关节的角度和力矩信息，并将其作为反馈信号输入到PID控制器中。
通过调节PID控制器的参数，可以实现机器人的运动控制和力矩控制。
单腿多自由度下肢康复机器人设计
单腿多自由度下肢康复机器人设计一、引言随着人口老龄化和慢性病的不断增多，肢体残疾和运动障碍等康复需求也在不断增加。
这就要求开发出高效、智能、安全和可靠的康复辅助设备，以提供良好的康复治疗效果。
本文旨在设计并制造一款单腿多自由度下肢康复机器人，通过对患者下肢的多角度、多向度训练，从而帮助患者快速、稳定地恢复下肢功能。
二、相关工作然而，这些机器人在设计时普遍存在着臃肿、复杂、昂贵等问题。
此外，由于患者个体差异、康复需求等因素，部分机器人对患者自由度和适应性要求较高，使得机器人在实际康复中的应用存在着一定的局限性。
因此，为了更好地满足康复需求并提高机器人的使用效率，本文提出设计制造一款单腿多自由度下肢康复机器人。
三、系统结构设计3.1 机器人结构本文所设计的机器人采用四电机驱动的机械臂结构，可以提供沿x、y、z三轴和旋转轴的运动自由度，同时具有非常好的运动灵活性和稳定性。
具体的结构如图1所示。
机器人主要由步态训练平台、运动臂、时序控制器、嵌入式系统和人机交互界面等部分组成。
步态训练平台是机器人的支撑平台，可以根据患者身高、体型、康复需求等因素进行调整。
同时，该平台还配备有压力传感器和陀螺仪等传感器，可以实时监测患者的脚部压力和身体平衡情况，并据此进行反馈控制。
运动臂是机器人的重要执行部分，由四电机通过传动机构和减速器驱动，可以控制机械臂的8个自由度运动。
具体包括三个平移自由度和五个旋转自由度。
其中，平移自由度包括x、y、z三个方向的运动，旋转自由度包括三个旋转轴的转动和两个关节的伸缩。
通过这些自由度的组合，机器人可以实现多样化的运动训练。
时序控制器是机器人的控制核心，负责协调各个电机的运动状态和控制操作。
为了实现高精度、高速的控制，本文采用了PID控制方法，并在控制算法中引入了运动轨迹规划和人机交互等技术，以增强机器人的运动控制能力和使用便利性。
嵌入式系统是机器人的数据采集和处理部分，可以实时记录患者的运动信息和康复效果，并通过无线网络和云端交互实现数据分析和远程监控等功能。
单腿多自由度下肢康复机器人设计
单腿多自由度下肢康复机器人设计
随着科技的发展，康复机器人已经成为了康复领域的一种重要手段。
在肢体康复中，
下肢康复机器人可以帮助患者进行步态训练、肌力恢复等。
传统的下肢康复机器人存在着
只能进行简单运动、运动范围受限等问题。
为了解决这些问题，本文提出了一种单腿多自
由度下肢康复机器人的设计方案。
该机器人由机械结构和控制系统两部分组成，机械结构包括腿部机械，底座和运动平台，控制系统包括传感器和控制算法。
机械结构设计需要实现多自由度的运动。
腿部机械应该能够模拟人体下肢关节的运动，并提供足够的自由度。
底座和运动平台需要提供稳定的支撑和调整。
这样可以使患者能够
在机器人中进行各种姿势的运动训练。
控制系统设计要能够根据患者的运动情况进行实时调整。
传感器可以采集患者的运动
数据，并将其传输给控制算法。
控制算法根据传感器数据进行分析和计算，然后生成适合
患者康复的运动模式。
通过不断的反馈调整，患者可以得到更好的康复效果。
为了提高机器人的易用性和安全性，还可以添加人机交互界面和安全保护机制。
人机
交互界面可以使患者和医护人员方便地进行机器人的操作和监控。
安全保护机制可以对患
者进行实时监测，一旦发现异常情况，机器人可以立即停止运动，以保障患者的安全。
单腿多自由度下肢康复机器人的设计需要考虑机械结构和控制系统两个方面。
合理的
机械结构设计和控制系统设计可以使机器人具备更好的运动范围、控制精度和安全性，从
而提高康复效果。
单腿多自由度下肢康复机器人设计
单腿多自由度下肢康复机器人设计【摘要】单腿多自由度下肢康复机器人设计是为了帮助行动不便的患者进行康复训练。
本文首先介绍了背景，解释了为什么需要这样的机器人，并阐述了研究的目的。
接着详细介绍了机器人的设计原理、设计要素分析、结构设计、控制系统设计以及运动学和动力学分析。
讨论了该机器人的实际应用前景和未来发展方向，并总结了整篇文章的重点。
通过本文的阐述，读者可以了解单腿多自由度下肢康复机器人的设计原理和关键技术，以及它在康复医学领域中的潜在价值和未来发展趋势。
【关键词】单腿多自由度、下肢康复、机器人设计、原理、设计要素、结构设计、控制系统设计、运动学、动力学分析、实际应用前景、未来发展方向、总结1. 引言1.1 背景介绍近年来，随着人口老龄化和交通事故频发，下肢功能障碍患者人数逐渐增加。
下肢功能障碍会严重影响患者的生活质量和社会参与能力，因此康复训练成为他们重要的治疗手段之一。
传统的康复训练主要依靠康复治疗师进行手动指导，存在人力成本高、效率低等问题。
研究与开发一种高效、智能的康复机器人成为当前的研究热点之一。
目前市面上的下肢康复机器人大多只能完成简单的直线运动，缺乏多自由度运动以及对关节轨迹的控制。
特别是在单腿康复训练中，需要考虑到姿态稳定性和平衡性的问题，提高机器人的适用范围和康复效果。
设计一款单腿多自由度下肢康复机器人成为当前工程师们亟需解决的挑战之一。
通过更精准的关节角度控制和动作规划，更好地符合患者个体康复需求，提高康复训练的效果和效率。
1.2 研究意义单腿多自由度下肢康复机器人是一种专门用于康复训练的机器人系统，具有重要的研究意义。
单腿多自由度下肢康复机器人能够为下肢受伤或残疾患者提供有效的康复训练，帮助他们恢复行走功能，提高生活质量。
通过研究单腿多自由度下肢康复机器人的设计和控制，可以深入探究人体下肢运动学和动力学特性，为机器人技术在医疗康复领域的应用提供理论支持。
单腿多自由度下肢康复机器人的研究还有助于推动机器人技术在康复医学领域的发展，为未来智能康复机器人的设计和应用打下基础。
下肢外骨骼康复机器人控制系统设计与研究
下肢外骨骼康复机器人控制系统设计与研究一、本文概述随着科技的不断进步，医疗康复领域迎来了前所未有的发展机遇。
下肢外骨骼康复机器人作为一种辅助人体行走、促进康复的重要设备，其设计与研究具有重要的实践意义和理论价值。
本文旨在探讨下肢外骨骼康复机器人的控制系统设计，包括硬件构成、软件编程以及运动控制策略等方面，以期为提高康复效果、促进患者康复进程做出贡献。
本文首先介绍了下肢外骨骼康复机器人的研究背景和发展现状，阐述了其在医疗康复领域的应用前景。
随后，详细分析了下肢外骨骼康复机器人控制系统的设计要求和技术难点，包括机械结构设计、传感器选型与配置、运动学建模与控制算法设计等方面。
在此基础上，本文提出了一种基于人机交互的下肢外骨骼康复机器人控制策略，以实现精准的运动轨迹控制和个性化康复治疗。
接下来，文章重点阐述了下肢外骨骼康复机器人控制系统的设计与实现过程。
介绍了控制系统的硬件构成，包括主控制器、驱动器、传感器等关键部件的选型与配置。
然后，详细描述了控制系统的软件编程，包括运动学建模、控制算法实现、人机交互界面开发等方面。
通过实验验证和临床应用测试，评估了所设计的控制系统的性能和效果。
本文的研究成果不仅为下肢外骨骼康复机器人的设计与研究提供了有益的参考，也为医疗康复领域的技术创新和发展提供了新的思路和方法。
未来，我们将继续深入研究下肢外骨骼康复机器人的控制策略和技术应用，以期为患者提供更加高效、个性化的康复治疗方案。
二、下肢外骨骼康复机器人基础理论下肢外骨骼康复机器人作为一种辅助人体下肢运动的医疗设备，其基础理论涉及多个学科领域，包括生物力学、机器人技术、控制理论以及人机交互等。
生物力学基础：生物力学是研究生物体在力学作用下的反应和适应的科学。
在下肢外骨骼康复机器人的设计中，必须充分理解人体下肢的生物力学特性，包括骨骼结构、肌肉力量分布、关节运动范围等。
这些特性为机器人设计提供了重要的参考依据，确保了机器人在辅助人体运动时能够符合生物力学规律，避免对人体造成不必要的损伤。
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第!"卷!增刊!#$%%年!%%月!华中科技大学学报!自然科学版"
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收稿日期
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作者简介!王!勇!%"B"A"#男#教授#=AF*1<$
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下肢康复机器人的设计与仿真分析
王!勇!张!英!刘正士
!合肥工业大学机械与汽车工程学院"安徽合肥#!$$$"#
摘要!针对偏瘫患者在康复期缺乏合适训练器的问题#基于曲柄连杆机构上的点可实现椭圆轨迹的原理#设
计了一款下肢康复机器人’此机器人可安装在普通椅子两边#带动偏瘫下肢做康复锻炼’首先进行了健康者坐
在椅子上做类似于骑自行车的蹬腿运动实验#确定了蹬腿轨迹和腿部运动参数%运用4-<1>X-;WR对此机器人
进行三维建模
#确定了合适的安装尺寸和安装位置%又运用SeSO4对其进行仿真#分析了使用它实现的轨
迹形状&达到的轨迹幅度和下肢达到的锻炼角度情况’结果证明$这款机器人可以满足偏瘫患者进行下肢康复
训练的要求
#长期使用它进行锻炼可达到修复受损肌肉&增强肌肉活力的目的
’
关键词!康复机器人%四杆机构%轨迹%下肢%仿真分析
中图分类号!7P#C#!!文献标志码!S!!文章编号!%BE%ACI%#!#$%%"
4#A$#I#A$!
4)%2’$(-0"#-3-&0-#,-7%#,’/32#%."3’,’&"&’-("()2’/1,"&’-("(",62’2
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*@*:18.::-;8@*1;>*F*/8>F)R5<8R’ !! 种$一种是哈尔滨工业大学等进行的穿戴式辅助 但是#它们必须有专门的人员操作并在实验室中 针对上述情况#本研究提出了一种在室内外都可以使用的训练器#它具有结构简单&适用范围广&经济实用等特点88!结构设计888!设计依据88888!医学依据痉挛是偏瘫患者肢体运动功能恢复的主要障碍#常见于上肢屈肌和下肢屈肌痉挛’I(8偏瘫患者的痉挛模式在下肢表现为典型的伸肌模式!或称伸肌优势"#具体表现为患侧骨盆旋后&上提#髋关 DOI：CNKI:42-1658/N.20111111.1412.183 网络出版时间：2011-11-11 14:12 机构学依据 在已知运动轨迹的平面四杆机构设计中!使 49i9QiQL]%i#i%8Ii#时!G 889 设计方案 动力源采用的是直流电机!其运动方式为单 图#!脚部训练机构三维图 置!将左右#个转盘相差半个圆周!就可以实现 只脚的交错运动8这样重复多次康复锻炼可以调 9 仿真分析 988 四杆机构的仿真 通过理论设计可知四杆机构符合对空间位置 软件仿真优选了%组四杆机构参数!得到该机构 图!中摇杆9Q为#I$FF!连杆49为 FF!曲柄L4为EIFF!脚杆4R为%$$FF8 中对R点的运动进行分析得到图中的椭圆轨迹! ’其中K为时间(8由仿真结果知这样的轨迹和位 )!I#) 图I!腿部仿真模型
5%67-#)2!;8,*U1<1:*1-.;-U-:%3-);AU*;F85,*.1RF%:;*5W%<-X8;<1FU%R1F)<*:1-.*.*
目前国内外对康复器械的研究主要有以下
#
器的研究’%(%另一种是运用虚拟现实技术的训练
器研究’#7!(8以上研究都运用了计算机#训练时可
以实时采集和处理各种数据#具有较高的精度
’C(
%
进行#且器械的价格较昂贵#故不能满足大部分患
者的需求
8
节伸展#内收&内旋#膝关节伸展#足跖屈&内翻#足
跖屈曲&内收8必须找出一种运动形式#使其既符
网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1658.N.20111111.1412.183.html
合康复训练中抗痉挛模式的要求!又能保证患者
的安全8但对于偏瘫患者康复训练中下肢运动轨
迹及各部分的参数国内外还没有统一的标准8查
阅相关的医学资料得知"患者在做类似自行车的
蹬腿运动时可以使骨盆#大腿#膝关节#小腿#踝#
脚等多处的肌肉得到锻炼8为了获得这方面的数
据!本研究首先测量了正常人坐在椅子上做类似
于自行车的蹬腿运动时脚部的轨迹和腿部的角度
变化!通过观察与分析测量可以得出""’下肢的
运动轨迹主要取决于脚后跟的运动轨迹$3’脚后
跟的运动轨迹为一个近似椭圆的封闭曲线$*’脚
沿轨迹发生位置改变会导致大腿与椅面的夹角#
大腿与小腿的夹角发生改变$)8大腿与椅面的夹
角范围在$g%!$g!大腿与小腿的夹角范围在
CIg%%I$g8
88889
!
用图谱法可从连杆曲线图册中查到与所要求实现
的轨迹非常接近的连杆曲线!从而确定该机构的
参数%B&8其中G是连杆49上一点!当杆长
L4
i
点可形成
图中类似椭圆的轨迹!并且选取不同的点会形成
不同的轨迹
%E&
8
!
向整周转动!现要实现椭圆轨迹运动!故考虑采用
直流电机带动曲柄连杆机构作为下肢康复锻炼的
机构!再从曲柄连杆机构上寻找一点来实现椭圆
轨迹!如图
%8
该款康复机器人的使用者为偏瘫患者!并且实现
该传动并不需要太大的力!所以只须保证该器材
使用的安全性和稳定性8在此拟采用带传动来实
现电机到腿部运动的传递8先由带传动将电动机
的整周转动传递到转盘即曲柄L4上!转盘再带
动脚杆4R转动!脚放在脚杆的末端R处!该四杆
机构可以实现其上某一点的椭圆轨迹!从而实现
患者的蹬腿运动
8
安装时!根据椅子的空间位置布
#
动机体内部的潜能!重新建立一个神经功能网络!
提高过去机体相对无效突触的效率!促进突触的
重新生成!从而促进神经功能的重组或功能的再
现
%D&
8
!
!
和结构要求!下面运用分析软件SeSO4对椭圆
轨迹的水平方向和垂直方向位移进行仿真8考虑
到偏瘫患者在恢复阶段不宜做大幅度运动
!通过
某点的运动轨迹!该轨迹基本符合设计的要求
8
%I$
R
点是脚杆末端的点!也是待确定的点8在
SeSO4
并测得其在#个方向的位移变化%"&8图C中通过
测量仿真结果得到脚后跟水平方向的位移幅度约
为#!"FF’垂直方向的位移幅度约为
%!EFF
移范围可以满足偏瘫患者下肢训练的要求
8
增刊!!!王勇!等"下肢康复机器人的设计与仿真分析
!!!!!
图!!脚部训练机构仿真模型及轨迹