减重台架式下肢康复机器人结构设计和分析

单位代码10006学号11071077分类号TH122毕业设计(论文)减重台架式下肢康复机器人结构设计和分析院（系）名称机械工程及自动化学院专业名称机械工程及自动化学生姓名指导教师张建斌2017年6月北京航空航天大学本科生毕业设计（论文）任务书Ⅰ、毕业设计（论文）题目：减重台架式下肢康复机器人结构设计和分析Ⅱ、毕业设计（论文）使用的原始资料（数据）及设计技术要求：1、髋关节屈伸范围：-20°~30°2、膝关节屈伸范围：-45°~0°3、踝关节屈伸范围：-30°~35°4、行进步速：110步/minⅢ、毕业设计（论文）工作内容：减重台架式下肢康复机器人具有结构简单，穿戴方便，康复效果稳定等特点。本课题拟提出一种新的下肢外骨骼机械结构构型，设计一种新型的弹性驱动器。重点考虑下肢主要关节的运动性能同时，使其具有穿戴性好，质轻，结构简单等优点毕设的主要工作内容为：在了解下肢康复机器人的研究背景研究现状等，完成减重台架式下肢康复机器人机械结构设计，绘制一些相关零件的零件图。对系统进行简单的动力学分析后，使用ADAMS进行基本的仿真。Ⅳ、主要参考资料：饶玲军.下肢外骨骼行走康复机器人研究[D].上海：上海交通大学，2012.郭卫东.虚拟样机技术与ADAMS应用实例教程[M].北京：北京航空航天大学出版社陈景藻.康复医学[M]北京：高等教育出版杜,2001王勇利.基于电机控制的低阻抗弹性驱动器设计[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2010.机械工程及自动化学院（系）机械工程及自动化专业类130712班学生毕业设计（论文）时间：年月日至年月日答辩时间：年月日成绩：指导教师：兼职教师或答疑教师（并指出所负责部分）：系（教研室）主任（签字）：本人声明我声明，本论文及其研究工作是由本人在导师指导下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。作者：签字：时间：2017年6月第Ⅰ页减重台架式下肢康复机器人结构设计和分析学生姓名：指导教师：张建斌摘要减重台架式下肢康复机器人是下肢康复外骨骼中康复效果较为稳定、穿戴性好、可拥有多套步态控制方案的典型结构。现有的减重台架式下肢康复机器人设计中，由于系统均采用了刚性原件，导致了在步行训练中由于刚性冲击带来的震动容易造成患者的二次损伤，此外，在尺寸兼容性方面由于调整范围较小，使用舒适度较差。针对目前的康复需要，本文设计了一款减重台架式下肢康复机器人，分别对髋部模块，膝关节模块，踝部及足部模块，腰部固定模块进行了结构设计和分析。在此基础上还着重设计了一套运用在膝关节处的直流伺服电机驱动直线弹性驱动器。并对驱动器的结构进行了分析，对相关的一些传动零件做了计算分析。之后运用理论力学基本知识对下肢康复机器人系统进行了相关动力学模型的推导，得出了关键动力学方程，为以后的控制初步建立了理论基础。并对于建立好的三维模型导入仿真软件进行了简单的动力学仿真。这套减重台架式下肢康复机器人相比之前的成果，添加了膝关节弹性驱动结构，改善了系统刚度，提高了穿戴舒适性。关键词：减重台架式，弹性驱动器，动力学方程第Ⅲ页ThestructuredesignandanalysisofweightracklowerlimbrehabilitationrobotAuthor:Tutor:ZhangJian-BingAbstractTheweightracklowerlimbrehabilitationrobotisrelativelystable,andwearableinlowerlimbrehabilitationexternalskeleton.It’sthetypicaltypesofmultiplesetsofgaitcontrolschemes.Inthisdissertation,wefirstunderstandthephysicalconditionsandrehabilitationneedsofpatientswithspinalcordinjuryandparalysisofthelowerlimbs.Thenanalyzetheresearchsituationoftheexternalandboneofthelowerlimbs.Inthedesignofweightracklowerlimbrehabilitationrobot,becausethesystemusestherigidityoftheoriginal.Resultingintheshockcausedbyrigidshockinwalkingtrainingwhichcaneasilycausethepatient'stwoinjury.Inthedimensioncompatibility,becauseofthesmallerdesignscope,users’comfortispoor.Aimingattheneedofrehabilitation,thisdissertationintroducesthedesignofaweightracklowerlimbrehabilitationrobot.Respectivelyonthehipjointmodule,kneemodule,ankleandfootmodule,lumbarfixationmoduledidthestructuraldesignandanalysis.Basedonthis,asetofDCservomotordrivinglinearelasticactuatorisdesignedandappliedinthekneejoint.Thestructureofthedriverisanalyzed,andsomeoftherelevantpartsarecalculatedandanalyzed.Then,thebasicknowledgeoftheoreticalmechanicsisusedtodeducetherelativedynamicsmodeloftherehabilitationrobotsystem,thekeykineticequationisobtained.Alsothetheoreticalbasisfortheinitialcontrolwasestablished.Fortheestablishmentofgoodthree-dimensionalmodelimportsimulationsoftwareforasimpledynamicsimulation.Thisresultsofweightracklowerlimbrehabilitationrobotcomparedtotheprevious,theelasticdrivestructureofthekneeisadded,thestiffnessofthesystemisimproved,第Ⅲ页andthecomfortofthewearisimproved.Theimprovementofthefuturemechanicalstructureismade.Keywords:Weightrack，Elasticactuator，Kineticequation第Ⅴ页目录第一章绪论..................................................................................................................11.1课题背景及意义..............................................................................................11.1.1课题背景...............................................................................................11.1.2课题意义...............................................................................................21.2国内外基本研究现状及发展趋势.................................................................31.2.1下肢外骨骼研究起步...........................................................................31.2.2康复外骨骼的研究现状.......................................................................31.2.2.1卧式康复外骨骼................................................................................41.2.2.2减重台架式下肢康复外骨骼............................................................51.2.2.3独立行走式........................................................................................91.3课题研究方法................................................................................................111.4论文构成及研究内容....................................................................................111.4.1研究内容.............................................................................................111.4.2论文构成.............................................................................................11第二章人体下肢关节运动机理及步态分析............................................................132.1下肢关节结构及运动机理............................................................................132.2下肢步行步态原理分析................................................................................152.3本章小结........................................................................................................16第三章下肢康复机器人机械结构设计....................................................................183.1自由度分配以及尺寸设计............................................................................183.2总体结构设计..........................