毕业设计论文外骨骼式下肢康复机器人重力减重系统.docx

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1、编号：本科毕业设计（论文）外骨骼式下肢康复机器人（重力减重系统）ExoskeIeton1owerIimbrehabiIitationrobot（gravityweightreductionsystem）下属学院专业班级学号姓名指导教师职称完成日期202年月日诚信承诺我谨在此承诺：本人所写的毕业论文XXXXXXXX均系本人独立完成，没有抄袭行为，凡涉及其他作者的观点和材料，均作了注释，若有不实，后果由本人承担。承诺人（签名）：【摘要】随老龄化过程中最明显的就是老人四肢灵活性的不断退化，还有各类疾病如脑卒中严重影响他们的生活质量。为了帮助偏瘫患者恢复功能，我国目前仍以传统人工康复训练为主。但这种方

2、法由于是一对一的模式且对康复师专业技能要求较高使得治疗师数量严重不足。而且从康复效果大都依赖于康复师的主观判断，这就缺乏客观定量地判断和调控，影响康复效果。因此大力研发康复机器人并用于实际使用是一件紧迫且意义重大的事。外骨骼式下肢康复机器人（重力减重系统）的设计涉及到多方面知识体系，本文主要研究重力减重系统机械结构组成：固定支架，减重机构（滚珠丝杠传动），直流伺服电机等的选型计算。本设计要求完成重力减重系统设计，通过电力驱动，根据患者的自控力大小，可以通过腰部支择以减轻部分体重，同时设计固定支架提供支撵和稳定，结合人机工程学介绍了减重系统的设计，旨在通过该卧式下肢康变机器人帮助患者完成康友训练

3、，实现步行运动。【关键词】重力减重系统；康复训练；人机工程学；机械结构设计AbstractABSTRACT!With(heagingprocess,themostobviousis(hecontinuousdeteriorationofthe1imbsofthee1der1y,andvariousdiseasessuchasstrokeserious1yaffecttheirqua1ityof1ife.Inordertohe1ppatientswithhemip1egiarecover,traditiona1manua1rehabi1itationtrainingissti11themainm

4、ethodinChina.However,(hismethodisaone-to-onemode1andrequireshighprofessiona1ski11sof(herehabi1itationpractitioners,sothatthenumberoftherapistsisserious1yinsufcient.Andtherehabi1itationeffectmost1ydependsonthesubjectivejudgmentoftherehabi1itationteacher.This1acksobjectiveandquantitativejudgmentandreg

5、u1ation,whichaffectstherehabi1itationeffect.Therefore,itisurgentandsignicant(ovigorous1ydeve1oprehabi1itationrobotsforpractica1use.Thedesignofexoske1eton1ower1imbrehabi1itationrobot(gravityweightreductionsystem)invo1vesmu1tip1easpectsoftheknow1edgesystem.Thispapermain1ystudiesIhemechanica1structureo

6、fthegravityweightreductionsystem:fixedbracket,weightreductionmechanism(ba11screwdrive),DCservomotor,etc.Se1ectionca1cu1ation.Thisdesignrequiresthecomp1etionofthedesignofthegravityweightreductionsystem.Itisdrivenbye1ectricityandaccordingto(hepatientsse1f-contro1force.Itcanbesupportedbythewaisttoreduc

7、epartoftheweight.At(hesametime,afixedbracketisprovidedioprovidesupportandstabi1ity.Designedtohe1ppatientscomp1eterehabi1itationtrainingandrea1izewa1kingexercisethroughthishorizonta11ower1imbrehabi1itationrobot.KEYWORDS!gravityweight1osssystem;rehabi1itationtraining;ergonomics;mechanica1structuredesi

8、gn目录1绪论11.1 课题研究背景及意义11.2 研究现状11.2.1 国外研究现状11.2.2 国内研究现状31.3 本文主要研究内容51.4 研究的方法与技术路线：62外骨骼式下肢康复机器人参数设计72.1 下肢康复机器人的尺寸参数71. 1.1康复机器人大腿和小腿尺寸72. 2.2康复机器人臀宽与踏板尺寸83. 2.2康复机器人各关节转动参数82.3康复机器人性能参数113重力减重系统总体方案设计133.1康复机器人减重系统的参数及设计原则134. 2康复机器人减重系统的设计内容133. 3康复机器人减重系统的总体方案134滚珠丝杠副的选型与计算153.1 滚珠丝杠的选型153.2 滚

9、珠丝杠副导程的确定183.3 滚珠丝杠副的传动效率195直线滚动导轨的选型245.1 定位精度高245.2 降低机床造价并大幅度节约电力245.3可提高机床的运动速度245.4可长期维持机床的高精度245. 5直线滚动导轨副的计算与选型251. 5.1滑块承受工作载荷FmaX的计算及导轨型号的选取255. 5.2距离额定寿命1的计算256步进电机的参数与选型266. 1步进电动机的特点266.2步进电动机的分类266. 2.1反应式步进电动机267. 2.2永磁式步进电动机268. 2.3混合式步进电动机276.3步进电动机的参数及其选择276.4电动机的转速与功率286.5各参素的确定296

10、. 6初选步进电动机型号291. 6.1脉冲当量的选择296. 6.2等效负载转矩的计算307. 6.3等效转动惯量计算308. 6.4步进电动机型号选择的计算307轴、轴承及联轴器的选用367. 1轴的材料367. 11轴的分类368. 12轴的材料及选择367.2轴的结构设计367. 2.1轴头、轴颈和轴身368. 2.2轴上零件的轴向固定和定位379. 2.3轴的周向固定3710. 2.4减少应力集中的措施387. 3轴承的选用388. 4联轴器的选用39结论42参考文献4344致谢,1绪论1.1 课题研究背景及意义随着我国社会老龄化进程逐渐加快以及各种自然灾害和交通事故等因素，我国有很

11、大一部分人群的生命是在残疾中度过的。伴随老龄化过程中最明显的就是老人四肢灵活性的不断退化，还有各类疾病如脑卒中严重影响他们的生活质量。为了帮助偏瘫患者恢复功能，我国目前仍以传统人工康复训练为主。但这种方法由于是一对一的模式且对康复师专业技能要求较高使得治疗师数量严重不足。而且从康复效果大都依赖于康复师的主观判断，这就缺乏客观定量地判断和调控，影响康复效果。因此大力研发康复机器人并用于实际使用是一件紧迫且意义重大的事。康复机器人的出现为治疗提供了新的方法。由于自身重复性高的特点，减轻了治疗师的工作强度。基于信息融合，虚拟现实等技术，可以很好地判断并且调控康复效果和康复疗程。为患者精准化治疗方案的

12、制定提供量化依据。1.2 研究现状大量的医学临床实践已经表明了由于意外事故、突发性的脑血管疾病以及人们由于年纪的增长而导致的身体机体老化等因素造成的下肢的功能障碍或残疾的患者如果进行积极的康复训练能够在很大程度上恢复或者是补偿失去的功能，提高患者生活质量。但是传统的治疗方式既不能保证患者的康复效果，也不能够满足社会对高端医师的需求和患者家庭对高昂治疗费用的负担，因此将医学上的康复医疗的方法同机器人结合起来的康复机器人技术正在慢慢的成为当下医学对下肢功能障碍患者康复的研究热点。1.2.1 国外研究现状对于单自由度下肢康复机器人，其构造较为单一，并且操作起来十分简单，能够让许多人使用而且成本便宜，

13、但只有简单的动作，不能满足患者在康复方面的求。如图IT所示为美国的NUSteP康复训练器，此康复器可以用在患者的早期恢复，操控手杆帮助下肢达到康复的效果。类似的产品还有FiSioek康复训练器，图1-2所示。图1-1美国NUSteP康复训练器图1-2意大利Fisioek康复训练器悬挂式下肢康复机器人用减重装置能够使行动障碍患者在悬挂状态下进行步态训练，能够有利于患者慢慢的寻找步行的感觉达到康复的效果卬由于装置佩戴的过程十分繁琐且舒适性差而且不适用与下肢没有行动能力的患者。德国研制的HapticWa1ker下肢康复机器人，如图1-4所示，核心部分是一套可以进行编程控制的自动脚踏板，可以实现多种的

14、足部运动轨迹。用于提高患者的训练兴趣，让患者能够轻松达到训练的效果，其用场景切换功能能够为患者提供多种场景。因为其复杂的控制系统和高昂的费用让次机器人也没有得到很大的发展。图1-3谯国HapticWa1ker康复机器人图1-4瑞士MotionMaker下肢康复机曙人如图15所示，得到有效使用的卧式下肢康复机器人的有MotionMaker坐卧式下肢康复机器人，是由瑞士SWORTEC公司研发的。此设备主要由两条三个自由度机械腿组成，此设备可以提供6种不同的训练方法，患者可以自由定义自己所需要的运动模式。该机器人的传感系统也能够在设备动作的时候在固定范围内动作来保证患者安全。1.2.2国内研究现状国

15、内对于下肢康复机器人的研究起步比较晚，许多的产品还只是在开发阶段，不过在政府政策的支持下发展势头迅猛，一些大学和研究机构也在此方面取得了不小的成果。褚梦秋(2018)在下肢康复机器人控制系统研究进展中结合国内外研究现状对下肢康复机器人的控制系统进行了分类,根据性能的不同又把控制系统分成嵌入式控制系统,工业控制单元和实时仿真控制系统三类并总结归纳了国内外研究人员的研究历史和现状。最后对该领域的未来发展趋势进行了预测和展望。张娇娇(2012)在下肢康复训练机器人研究进展中总结归纳了国内外在驱动方式,机械结构和控制系统等不同系统的康复机器人并且阐述了他们各自在控制精度，使用，成本角和安全等多方面的优缺点。程方，王人成，贾晓红，张济川(2008)在减重步行康复训练机器人研究进展中按照不同的分类方法如按驱动方式，动力输入方式等介绍了国内外多种典型的康复机器人以及他们的结构和各自的优缺点。迄今为止，现有机器人所能提供的训练动作只是简单的曲线或者直线轨迹，首先它与临床训练的要求不符，不能在康复早期给患者以更多的正确运动感觉的刺激；其次这些动作与日常功能性动作相差甚远，对于患者恢复日常生活能力帮助不大。不仅如此，由于机器人不能根据患者的康