康复机器人的系统标准设计.doc

第1章绪论1.1概述据报道，中国60岁以上老年人已经有1.43亿，占全国人口11，到2050年将达成4.37亿。在老龄人群众中有大量脑血管疾病或神经系统疾病患者，这类患者多数伴有偏瘫症状1。多年因为患心脑血管疾病使中老年患者出现偏瘫人数不停增多，而且在年纪上展现年轻化趋势。同时，因为交通运输工具快速增加，因交通事故而造成神经心痛损伤或肢体损伤人数也越来越多。在美国数以百万计有神经科疾病病史和受到过意外伤害患者需要进行康复诊疗，仅以中风为例，每十二个月大约有600，000中风幸存者，其中二百万病人在中风后存在长久运动障碍。伴随国民经济发展，这个特殊群体已得到了更多人关注，为了提升她们生活质量，诊疗、康复和服务于她们产品技术和质量也在对应地提升。伴随机器人技术和康复医学发展，在欧洲、美国和日本等国家，医疗康复机器人市场拥有率呈逐年上升趋势，仅估计日本未来机器人市场，医疗、护理、康复机器人市场份额约为250，000美元，而到将上升到1，050，000美元，其增加率在机器人全部应用领域中占据首位。所以，服务于四肢康复设备研究和应用有着宽广发展前景2。康复机器人是康复设备一个类型。康复机器人技术早已广受世界各国科研工作者和医疗机构普遍重视，其中以欧美和日本结果最为显著。在中国康复医学工程即使得到了普遍重视，而康复机器人研究仍处于起步阶段，部分简单康复器械远远不能满足市场对智能化、人机工程化康复机器人需求，有待深入研究和发展。因为康复训练机器人要和人体直接相连，来带动肢体进行康复训练，所以对驱动器安全性、柔性要求较高。多年来，以气动元件柔性驱动器逐步引发大家重视，在医疗康复器械领域中得到越来越多应用。本课题研究目标是设计一个用于脑损伤、中风等病人步态康复训练系统，帮助病人愈加好地进行康复训练，减轻她人帮助，挺高效果。1.2康复机器人中国外研究现实状况在对有运动障碍老人或残疾人进行诊疗和康复过程中，使用康复机器人能够处理好多问题：机器人使用能够处理专业护理人员缺乏和医疗费用昂贵问题，能够避免因为训练方法不科学和专业护理人员个人疏忽等主观原因引发对病人伤害，可供病人在家或工作场所使用，使病人取得更多独立生活能力，提升了病人生活质量等。康复机器人是一个自动化医疗康复设备，它以医学理论为依据，帮助患者进行科学而有效康复训练，使患者运动机能得到愈加快愈加好恢复。现在，康复机器人已经广泛地应用到康复护理、假肢和康复诊疗等方面，这不仅促进了康复医学发展，也带动了相关领域新技术和新理论发展。康复机器人有两种：辅助型康复机器人和康复训练机器人。辅助型康复机器人关键是帮助肢体运动有困难患者完成多种动作，该类产品有机器人轮椅、机器人护士、机器人假肢、机械外骨骼等。康复训练机器人关键功效是帮助患者完成多种运动功效恢复训练，该类产品有行走训练、手臂运动训练、脊椎运动训练等。康复机器人是康复医学和机器人技术完美结合，康复机器人技术在欧美等国家得到了科研工作者和医疗机构普遍重视，很多研究机构全部开展了相关研究工作，多年来取得了部分有价值结果。对于中风、偏瘫、下肢运动机能损伤等患者来说，下肢康复训练机器人有着很好诊疗效果。中国外很多研究机构全部在这方面取得了不错研究结果。下肢康复训练机器人发展关键经历了多个阶段。由早期简单步行训练机发展到现在功效丰富、符合人体运动机理下肢康复训练机器人。早期发展下肢康复训练系统是借助于跑步机、悬吊系统等帮助患者进行运动训练，此种产品结构简单、价格廉价，但训练过程中必需有专业人员帮助，而且并不符合人体运动机理，还不能称为康复训练机器人，只能是一个半自动康复训练机械，图1.1、图1.2所表示。图1.1、图1.2中步行训练机，它功效单一、价格廉价，而且需要在专业护理人员帮助下进行康复训练，这种机械对下肢病情比较轻病人较适宜。 图1.1步行训练机3 图1.2悬挂式步行训练机4伴随机器人技术和康复医学发展，大家对人行走步态有了比较清楚认识，开发出了部分符合人体康复需要产品。德国柏林自由大学(Free University of Berlin)开展了腿部康复机器人研究5，并研制了MGT型康复机器人样机(图1.3)。瑞士苏黎士联邦工业大学(ETH)在腿部康复机构、走步状态分析方面也取得了部分结果，在汉诺威世界工业展览会上展出了名为LOKOMAT(图1.4)康复机器人模型。LOKOMAT机器人关键由步态矫正器、优异体重支持系统和跑台组成。LOKOMAT机器人以使用者为根本，经过对机器人行为、耐心、合作及运动功效进行评定,建立了一个更为有效诊疗方法，即：机器人先侦测使用者运动，而且跟随使用者运行轨迹而不是强制使用者根据预定轨迹运动，经过机器人自适应功效，来满足使用者不一样需求，它能够调整训练参数以适合不一样患者需要6。 图1.3MGT型康复机器人 图1.4LOKOMAT机器人 德国柏林IPK研究所研制Robotic Gait Rehabilitation，经过一个可编程控制脚踏板来带动患者实现步态轨迹模拟，这个脚踏板由直线电机带动实现往复直线运动，脚踏板支撑部分类似于二自由度机械臂，由两个伺服电机驱动7(图1.5）。图1.5robotic gait rehabilitation 系统在试验中美国加州大学伯克利分校科学家研制出一个机器人称为“伯克利末端外骨骼”（BLEEX）8，BLEEX包含能够牢牢地固定在使用者脚上但又不会和使用者摩擦金属支架，和用来承载重物背包式外架和动力设备等，这种机器人除了能够帮助正常人增加负载能力外还能够帮助下肢残疾病人行走，一定程度上恢复下肢功效(图1.6）。图1.6BLEEX日本筑波大学Cybernics试验室科学家和工程师们，研制出了世界上第一个商业外骨骼机器人(Hybrid Assistive Leg，HAL)9(图1.7)，正确地说，是自动化机器人腿：“混合辅助腿”。这种装置能帮助残疾人以每小时4公里速度行走，毫不费力地爬楼梯。除HAL“混合辅助腿”外，日本还研制成功了一个全身性外骨骼机器人。神奈川理工学院研制“动力辅助服”9(Power Assist Suit)(图1.8）可使人力量增加0.5-1倍，使用肌肉压力传感器分析佩戴者运动情况，经过复杂气压传动装置增加人力量。这种装置最初是为护士研制，用来帮助她们照料体重较大或根本无法行走病人。现在已经有残疾人在这种机器人帮助下实现了登山运动。图1.7HAL机器人图1.8Power Assist Suit美国NPH研究中心开创了机器人系统量化步行能力和步态失调研究领域，依据活动依靠神经系统可塑性，量化和评定模式肌电图在步态等方面作用，建立数学模型模拟感觉运动障碍。图1.9为NPH机器人在试验中。图1.9NPH机器人在进行试验在中国，康复医疗工程已经得到了普遍重视，康复训练机器人宽广应用前景将推进康复机器人技术深入发展。中国对康复机器人研究起步比较晚，辅助型康复机器人研究结果相对较多，康复训练机器人方面研究结果则比较少。清华大学在中国率先研制了卧式下肢康复训练机器人样机在这项结果中她们采取了虚拟现实技术10。哈尔滨工程大学在康复机器人方面也取得了不错结果。哈尔滨工程大学研制下肢康复机器人能够模拟正常人行走步态、踝关节运动姿态和重心运动规律，带动下肢做行走运动，实现对下肢各个关节运动训练、肌肉锻炼和神经功效恢复训练。经过获取脚受力状态、腿部肌肉状态和下肢关节状态等人体生物信息，协调重心控制系统和步态系统运动关系，使之和人体运动状态相协调，取得最好训练效果。图1.10 、图1.11 所表示分别为哈尔滨工程大学研制卧式下肢康复机器人和基于步态姿态控制下肢康复机器人系统11。 图1.9卧式下肢康复机器人 图1.10下肢康复训练机器人1.3本课题关键研究内容本文“基于姿态控制步态康复训练系统设计”研究目标是设计出一个能够辅助下肢有运动功效障碍老人或残疾人进行功效恢复训练康复机器人，工作关键是机器人机械本体结构设计，要考虑安全性、可靠性、柔顺性，同时进行了气动控制系统设计。课题内容关键包含：1.步态康复训练系统结构方案设计及运动学分析，包含人体行走步态、自由度设计、基础参数选择、整体结构设计等。2.机器人机械本体结构设计和计算，包含姿态控制结构设计和减重结构设计。3.机器人驱动器供气控制系统设计。第2章总体方案设计和选择论证2.1步态分析下肢康复机器人是对有脑损伤、中风等病人进行主动康复训练自动化机械装置。它能够帮助患者进行运动机能恢复性训练，进行主动式步态训练。正常人在行走时脚在一个步态周期内运动情况图2.1所表示12。 图2.1步态周期1个步行周期分为两个时期，支撑期和摆动期。支撑期是当脚和地面接触时间，它占了一个步行周期62%。摆动期是脚在空中时间，它占了一个步行周期38%。足跟接地即进入支撑期，足趾离地进入摆动期。支撑期占步行周期62%(其中单侧肢体支撑期占37%，双侧肢体支撑期占25%)，摆动期占步行周期38%。双侧肢体支撑期中包含预承重期和摆动前期，各占步行周期12%。各时期划分及相关具体内容以下:(l)双侧肢体支撑期。为双足着地、由双侧肢体支撑体重时期，又分为被测下肢在前“前足着地双足支撑期”(预承重期)和被测下肢在后“后足蹬地双足支撑期”(摆动前期)2个时期。预承重期是从被侧足足跟着地至对侧足趾离地时期;摆动前期是从对侧足足跟着地至被侧足足趾离地时期。一侧足预承重期即为对侧足摆动前期。(2)单侧肢体支撑期。仅由被测足负担体重时期，即从对侧足足趾离地至对侧足足跟着地时期，也是对侧肢体摆动期。(3)摆动期。被测足不接触地面时期，即从被测足足趾离地至同侧足跟着地时期，也是对单侧肢体支撑期。步态各关键阶段动作: (1)脚后跟受:通常步态历程，最开始动作为右脚接触到地面瞬间，也就是后脚跟刚和地面接触动作； (2)前脚完全承载:在脚后跟受力后，脚掌逐步贴附地面，直到脚掌完全贴合地面，此刻即为前脚完全承载； (3)支撑段中期:当右脚完全程载后，左脚开始摆动，摆动后右脚瞬间动作即为支撑段中期； (4)脚后跟离地:左脚摆动过右脚后，右脚后跟离开地面动作成为脚后跟离地； (5)脚指离地:右脚后跟离地后，紧接着脚尖离地，此时即为右脚离开地面瞬简，我们称之为脚指离地，因为它是右脚摆动前动作，所以也称为预先摆动； (6)摆动中期:右腿摆动过左腿瞬间动作，此时动作为支撑段中期。在一个步态周期各个时间点，各个关节角度和所受到力矩不一样。下面从图2.2图2.7显示了一个75kg人以1.3m/s步行速度在平地上走时，髋关节、膝关节、踝关节三处关节在一个步行周期内不一样阶段转角和力矩改变131415。 图2.2步行周期内踝关节角度改变图2.3踝关节力矩改变由图2.2、2.3可知步行时踝关节处力矩最大值为-120N，角度范围为-2015。由图2.4、2.5可知步行时踝关节处力矩最大值为60N，角度范围为-700。由图2.6、2.7可知步行时踝关节处力矩最大值为-80N，角度范围为-2030。为了模拟人体行走正常步态，更科学合理有效进行下肢康复训练，所设计康复机器人下肢各关节运动（角度、力矩）和人体行走时关节运动（角度、力矩）应该近似。为本设计就是依据这个标准进行设计。 图2.4 膝关节角度改变 图2.5 膝关节力矩改变 图2.6 髋关节角度改变 图2.7 髋关节力矩改变2.2方案选择本设计关键工作是设计出一个下肢有六个自由度（下肢每一条腿有3个自由度）康复机器人及其对应框架和减重机构（一个自由度），然后绑在人腰部和下肢上，分别带动髋关节、膝关节和踝关节运动，从而训练对应部位肌肉，帮助使用者恢复下肢运动功效，机构模型图2.8。它由减重机构、姿态控制机构、运动平板等组成。 图2.8机器人功效模型减重机构能够负担患者一部分体重，减轻病腿负荷，还能够调整人体重心上下浮动。减重机构在人体行走时提供是一个恒力，它由一个气缸经过滑轮驱动。运动平板经过电机驱动，能调整速度，使适应人体行走不一样速度需要。姿态控制机构关键模拟人体下肢关节功效结构。由气缸驱动仿人体下肢带感人体下肢运动。关节是人体运动枢纽，是传输载荷、保持能量、帮助运动关键器官。关节长久制动，会使肌肉破坏负最大载下降，能量储存也会显著降低，最终会造成肢体完全瘫痪。用关节运动来带动肌肉进行收缩运动，能够恢复和保持肌肉收缩功效。髋肩关节、膝关节、踝关节是人体下肢关节中三个关键关节。关节运动学特征关键包含两部分：一是关节活动幅度，二是怎样达成这个活动范围。本设计就是依据这个标准进行。2.2.1自由度设计此处删减NNNNNNNNNNNNNNNN字 需要整套设计请联络q：99872184。查表材料许用挤压应力为30MPa。挤压应力远小于许用挤压应力，销轴强度满足要求。3.5.5双头螺柱校核腰部可调结构中双头螺柱是腰部和外部框架链接收力部分，关键受到轴向工作载荷F=600N，其拉伸强度条件为： （3.12）其中=28，=250MPa，由公式（3.12）可得：=1MPa，螺柱合格。3.5.6传感器选择1.角位移传感选择本设计关键使用者是病人或老年人，所以对关节旋转角度范围正确性要求比较高。在关节旋转角度超出给和范围时候，能够经过控制系统立即地纠正，避免对患者造成伤害。在检测系统中，传感器是其中关键步骤，它性能决定了整个传感检测系统性能。经过性能比较，选择了实心轴编码器ISC3004。它特点是：能够对多种自动机械动作进行高精度检测，体积小，重量轻，结构紧凑，安装方便，外径15，轴径3，电缆侧出，安装盘最大外经25。具体组装方法见装配图。2.拉力传感器选择本设计中人体重量60kg，所以选择拉力传感器选择型号为JLBZ，量程为1kN。3.6减重系统分析及相关计算1.减重系统分析减重机构能够负担患者一部分体重，减轻病腿负荷，还能够调整人体重心上下浮动。减重机构在人体行走时提供是一个恒力，它由一个气缸经过滑轮驱动。图3.14所表示，人体重量为m，气缸提供拉力为F0，R为作用在人体剩下重力，R=mg-F0。图3.14减重示意图设S为减重百分比，则R=mg（1-S）。人体行走时重心在竖直平面内上下移动，人体在竖直平面内存在加速度。若F0不为恒力，则人体肌肉提供重心加速度功不是最小。所以要使减重气缸提供力F0为恒力。2.减重系统汽缸地选择本设计中m=60kg，S最小为0，则减重气缸提供最大拉力为R=mg(1-S)=600 N。取气缸负载率=70%，气缸理论输出力F拉=R=857 N。 由公式（3.6）、（3.7）及气体压力P=0.6MPa，取活塞杆径d=0.3D，D为气缸活塞直径，计算出D=46 mm。选择气缸参数为缸径50mm，行程50mm。气缸型号为DNG-50-50-PPV-A。3.7本章小结本章是在前几章对总体方案设计基础上，关键设计计算了各个关节中零件、各个具体结构。关键设计计算有：连杆、深沟球轴承、销轴、螺柱，和驱动器气缸计算校核，和减重系统设计计算和传感器选择。第4章供气和控制系统设计本章对气缸供气系统进行设计，并简单介绍控制系统功效主框图和控制系统所需完成功效特点。4.1供气系统设计4.1.1供气回路设计针对气缸工作情况，设计气动系统回路图4.1所表示。1-空气压缩机2-后冷却器3-主途经滤器4-空气干燥器5-气罐6-截止阀7-除油器8-除臭器9-空气过滤器10-减压阀11-压力表12-小气罐13-百分比流量阀14-消声器15-电磁阀16、17、18、19-气缸图4.1供气系统图下面介绍供气系统中各元件作用和型号选择。 4.1.2气动元件选择1、空气压缩机空气压缩机作用是经过电动机驱动将大气压力状态下空气压缩成较高压力，输送给气动系统。空气压缩机按压力高低可分为低压型（0.21.0MPa）、中压型（1.010MPa）和高压型（10MPa）。气缸供气压力为0.6MPa，所以选择低压型空气压缩机。空气压缩机按工作原理分为三类：活塞式、螺杆式和透平式。本设计场所是医院、康复中心、家庭等，要求空气压缩机振动和噪声要小。螺杆式空压机脉动小，振动小，噪音小，符合本设计要求，所以选择螺杆式空气压缩机。（1）空气压缩机输出压力a （4.1）式中a空压机输出压力，MPa； p 气动元件最高使用压力，MPa； 开启系统总压力损失，MPa。本设计中=0.6MPa，=0.150.2MPa，由公式（4.1）可得：a=0.750.8MPa（2）空气压缩机吸入流量qa （4.2）式中qa空压机吸入流量，m3/min (ANR)；qb气动系统平均耗气量，m3/min (ANR)；k修正系数，k=1.52.0。本设计中qb=0.6m3/min (ANR)，由公式（4.2）可得：qa=0.1m3/min (ANR)（3）空气压缩机功率P （4.3）式中P空压机功率，kW；p1吸入空气绝对压力，MPa；K等熵指数，K=1.4；pa输出空气绝对压力，MPa；qa空压机吸入流量，m3/min (ANR)；n中间冷却器个数。本设计中p1=0.1MPa，pa=0.8MPa，qa= 0.1m3/min (ANR)，n=1，由公式（4.3）可得：P=1.35kW所选空气压缩机型号为：德国BOGE企业微油螺杆式空压机CL3，排气量：231L/MIN，工作压力：8BAR，马达功率：2.2KW，2、后冷却器从空压机中输出压缩空气温度可达180，在此温度下，压缩空气中水分完全呈气态，如直接送入气罐和气动设备，将会带来不良后果。后冷却器作用就是将从气泵出来高温空气冷却至以下，将大量水蒸气和变质油雾冷却成液态水滴和油滴，方便将它们清除掉。 后冷却器分为风冷式（HAA系列）和水冷式（HAW系列）两种。风冷式它是靠风扇产生冷空气吹向带散热片热气管道来降低压缩空气温度。占地面积小、重量轻、紧凑、运转成本低，适适用于进口空气温度低于100，处理空气量较少场所。风冷式这些特点很适合本设计要求，选择SMC企业HAA22，关键参数见表4.1。表4.1风冷式后冷却器（HAA22）技术参数额定流量（L/min）最高使用压力（MPa）适用压缩机功率（kW）进口空气温度（）出口空气温度（）3300 1.0 225100 40 3、主管途经滤器气体经空气压缩机后，先经过主管道到各支管管道，在主管道中设置主管过滤器，在支管中再按工作需要装置多种除尘、除油和除臭过滤器。主途经滤器作用是清除压缩空气中油污、水、粉尘等，以提升下游干燥器工作效率，延长精密过滤器使用寿。本设计选择SMC企业AFF系列中AFF22B型号主途经滤器，关键参数见表4.2。 表4.2AFF22B主途经滤器关键参数额定流量（L/min） 使用压力范围（MPa）额定流量下压降（L/min）环境和介质温度（） 35000.151.00.01254、空气干燥器压缩空气经后冷却器、主管途经滤器得到初步净化后，仍含有一定量水蒸气。气动回路在充排气过程中，元件内部存在高速流动处或气流发生绝热膨胀处，温度要下降，空气中水蒸气就会冷凝成水滴，这对气动元件工作产生不利影响，所以需要干燥器来深入清除水蒸气。干燥器就是用来清除水蒸气。干燥器有高分子隔膜式、冷冻式和吸附式等。为了使用方便，本设计选择高分子隔膜式干燥器（IDG系列）。这种干燥器特点是：体积小、重量轻、无需排水器，带露点显示器，不用氟利昂，不用电源，无震动，无排热，使用寿命长，安装方便，除水率高等。符合本设计要求，所以本设计所选择SMC企业IDG系列中IDG-H型号，它关键参数如表4.3。 表4.3IDG-H技术参数进口压力范围（MPa）环境和介质温度（）输出流量（L/min）分流流量（L/min）输出空气大气压露点（）0.31.0 -550251000 3110 -405、气罐气罐作用关键是：消除压力脉动；依靠绝热膨胀及自然冷却降温，深入分离掉压缩空气中水分和油分；贮存一定量压缩空气，首先可处理短时间内用气量大于压缩机输出气量矛盾，其次可在空气压缩机出现故障时，维持短时间供气，方便采取方法确保气动设备安全。这里估算气罐容积V （4.4）式中：气动系统最大耗气量，单位：L/min；气动系统许可最低工作压力，单位：MPa；忽然停电时，气罐内压力，单位：MPa；大气压力，取MPa；停电后，应维持气动系统正常工作时间，单位：s。式中=100L/min，=0.6MPa，=1MPa，t=20s，可得Vmin=10L。气罐选择了SMC企业AT6C型号，技术参数见表5.4。 表4.4 AT6C技术参数适用空压机功率（kW）容积（L）最高使用压力（MPa）使用流体温度（） 5.51001.001006、截止阀截止阀作用是：在实施元件不需要工作时或气动系统出现问题时，用来切断通路，或是它后面通路中出现问题需要维修时，用来切断该部分支路，不去影响其它支路工作。截止阀选择扬中市华威电力设备厂YZJ-2A J23W/H型外螺纹截止阀。7、除油器除油器能够分离掉主途经滤器和空气过滤器难以分离掉0.35m气状溶胶油粒子及大于0.3m锈末、碳粒，这些微粒会加速气动元件损坏。本设计中采取SMC企业AM550除油器，技术参数见表5.5。 表4.5AM550主途经滤器关键参数额定流量（L/min） 使用压力范围（MPa）额定流量下压降（L/min）环境和介质温度（） 35000.051.00.02558、除臭器除臭器作用是除去压缩空气中气味及有害气体，以取得清洁室所要求压缩空气，本设计使用采取SMC企业AMF系列除臭器，其技术参数如表4.6所表示。表4.6AMF550主途经滤器关键参数额定流量（L/min） 使用压力范围（MPa）额定流量下压降（L/min）环境和介质温度（） 35000.051.00.01559、空气过滤器在这里用过滤器比主途经滤器过滤精度高，为了深入除去压缩空气中固态杂质，水滴和污油滴等。选择产品型号为SMC企业AF-60空气过滤器。10、减压阀减压阀是出口侧压力可调（但低于进口侧压力），并能保持出口侧压力稳定压力控制阀。它作用是将较高进口压力调整降低到符合使用要求出口压力，并确保调整后出口压力稳定。减压阀按压力调整方法有直动式减压阀和先导式减压阀两种，经比较选择先导式减压阀，因为它调压时操作轻便，流量特征好，稳压精度高，压力特征好。本设计对设备安全性要求较高，所以选了SMC企业外部先导式精密型减压阀(IR3120)，它关键技术参数如表4.7。 表4.7IR3120技术参数最高进口压力（MPa）最低进口压力（MPa）调压范围（MPa）控制压力（MPa）反复度1.00.10.010.80.010.811、压力表、消声器压力表作用是测定并显示气动回路压力高于大气压力值，用来确保回路需要压力。选择型号为江苏金科仪表Y-40压力表。百分比阀在工作过程中，因为压缩空气流量和速度改变，引发振动，便产生了强烈排气噪声。噪声会损害人听觉，影响键康。本设计要和人体直接相连，它环境不许可有噪音，所以需要消声器。消声器选择型号为上海中石化阀门制造XSQ-1消声器。12、百分比流量阀流量型电气百分比阀作用是实现输出流量进行百分比控制。它特点是：能实现程序控制、实现自动化；能实现连续控制、优化系统功效；使用功率小、发烧少、噪声低；不会发生火灾、不污染环境、安全性高。这些特点很符合本设计使用要求。结合本设计要求，选择SMC企业先导式压力型电气百分比阀中VEF型号，参数见表4.8。表4.8VEF电气百分比阀关键参数最大电流（A）最高供给压力（MPa）额定消耗功率（w）电源电压（V）使用温度范围（） 11.013 DC2410% 05013、两位四通直动式电磁换向阀直动式电磁换向阀结构简单，切换速度快，符合本设计要求。选择德国Festo企业JMEH-4/2电磁阀。4.2康复机器人训练方法下肢功效性康复有多个诊疗方法，一个是由专业人员来调整力量和速度来达成患者要求，另一个方法是由器械来完成训练工作，能够在恒定低速状态下对患肢进行反复训练。下面介绍两种常见物理疗法。（1） 主动方法 患者主动运动，机械下肢提供一定阻力。机器速度和患者运动速度之间是恒定百分比关系，经过调整百分比关系能够调整训练强度，机器运动滞后于患者运动。这种运动方法关键是用于巩固阶段患者，或健身人员。（2） 被动方法 机器人带动患肢以设定运动方法运动，不考虑患肢阻力，经过反复训练达成恢复和保持肢体运动功效目标。这种运动方法用于康复阶段患者，运动速度较低。本设计关键使用者是下肢有运动功效障碍病人和老人，采取被动方法来恢复或保持她们下肢运动功效，也能够采取主动方法来巩固和加强她们下肢运动功效。本机器人采取不一样控制方法能够实现主动或被动方法，康复训练时选择其中一个即可。4.3气动自动控制方框图供气系统直接为气缸供气，不过，要完全实现自动控制，还需要由单片机或计算机实施控制系统。图4.2中，是下肢自动控制系统功效方框图，反馈信息为髋关节、膝关节和踝关节实际旋转角度，经和给定角度相比较形成一个闭环系统。当实际旋转关节超出给定角度值时，形成差值，经放大器放大后，作用到流量百分比阀上，控制流量大小，调整气气缸运动速度，改变旋转关节角度，使其在按给定运动方法运动。图4.3中，是减重部分控制自动控制系统功效方框图，反馈信息为作用在气缸上拉力f，经和给定力F相比较形成一个闭环系统。当拉力超出给定值F时，形成差值经放大器放大后，作用到压力百分比阀上，控制压力大小，调整气缸压力，使气缸提供恒定压力。图4.2下肢气动自动控制方框图图4.3减重系统控制方框图4.4本章小结本章关键介绍了供气控制系统设计，气动元件选择过程。介绍了机器人训练方法和控制功效，为深入完成自动控制系统设计提供了理论基础。结论本论文是在综述了现在中国外康复机器人研究和应用基础上，结合发展方向，针对康复训练功效，具体叙述了一个基于步态控制下肢康复机器人设计。本设计关键工作是设计出一个下肢有六个自由度（下肢每一条腿有3个自由度）康复机器人及其对应框架和减重机构（一个自由度），然后绑在人腰部和下肢上，分别带动髋关节、膝关节和踝关节运动，从而训练对应部位肌肉，帮助使用者恢复下肢运动功效，它由减重机构、姿态控制机构、运动平板等组成。本文关键完成了以下工作：1.依据康复训练机器人应用对象、使用环境及技术指标要求，结合人体工程学基础知识和康复医学基础理论，确定系统总体方案，采取三个自由度分别实现单边髋关节、膝关节及踝关节运动训练，总共采取7个自由度。2.结合康复器械运动特点，比较多个驱动器利弊，选择气缸作为康复训练机器人驱动器。选择气缸型号，进行所需行程计算。3.进行了结构设计计算。依据机械设计基础理论和方法，选择能完成机械运动适宜零件，设计计算零件型号和尺寸。考虑制作工艺性和装配工艺性，设计连接件结构，如关节，用于关节间连接支架，下肢伸缩杆结构等零件。4.针对机器人驱动方法和应用场所，对供气系统进行了设计，并初步分析了控制系统基础组成和机器人运行方法。设计出康复训练机器人能够完成一定康复训练工作，但要完全实现自动化控制，提升机器人柔顺性，还需要开展以下研究工作：(1)深入研究气缸及其驱动关节动态模型；(2)研究气缸闭环控制系统特点，深入提升系统柔顺性。(3)深入优化关节结构和杆件结构。参考文件1张付祥，付宜利，王树国康复机器人研究现实状况J河北工业科技，22（2）：100-1052杜志江，孙传杰，陈艳宁康复机器人研究现实状况J中国康复医学杂志，18（5）：293-2943Hogan 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