下肢行走康复训练机器人机械结构设计.pdf

机电工程技术2011年第40卷第09期机电工程技术2011年第40卷第09期下肢行走康复训练机器人机械结构设计程卫卫，韩建海，陈捡（河南科技大学 机电工程学院，河南洛阳471003）收稿日期：20110304摘要：针对由于神经损伤而导致下肢运动障碍的患者康复训练问题，设计了一种气压驱动的下肢行走康复训练机器人的机械结构。以ProE为基础，构建了该机构的三维虚拟模型。着重分析了人体行走过程中重心的变化规律，设计了重心平衡机构并进行了运动学分析，仿真结果验证了该机构设计和控制方法的有效性和可行性。关键词：康复训练；机器人；重心平衡；运动学中图分类号：TP242.3文献标识码：A文章编号：10099492(2011)090077031引言近年来，随着科学技术的进步和人民生活水平的提高，人们对康复器械的要求越来越高，目前，世界上大约有十余家实验室从事人体助力机器人的研究，国内也有很多研究机构在研究下肢康复训练机器人，但它们大多仅仅是考虑了模拟人腿的正常步态，没有考虑行走过程中重心的变化，本文设计一种带有重心平衡机构的新型康复训练机器人，并通过计算和仿真验证其正确性和必要性。此种下肢康复训练机器人是根据康复医学理论和人机合作机器人原理，通过一套计算机控制下的走步状态控制系统，使患者模拟正常人的步伐规律作康复训练运动，锻炼下肢的肌肉，恢复神经系统对行走功能的控制能力，达到恢复走路机能的目的。根据康复医疗理论，髋关节有屈伸、内收外展和内旋外旋三个自由度。膝关节在屈伸过程中可近似看作一个自由度。踝关节有屈伸、内收外展两个自由度。因此设计时应尽量考虑两个平面的运动，使设计更加符合人体的正常步态，这样的康复效果才能达到最佳。在康复治疗方面，减重步态训练PBW-STT（Partial Body Weight Support TreadmillTraining）是目前下肢偏瘫患者康复治疗普遍采用的有效方法之一，该方法利用机械减重结构使得人体只用承受部分身体的重量，并且能够根据患者的康复程度，调整减重的比例，使得康复的效果达到更好。现在该方法的效果已经得到国内外诸多医学专家的普遍认同1-2。2总体机械结构设计下肢康复训练机器人的机械结构如图1和图2所示，分为外部框架、减重机构、重心平衡机构和腿部驱动机构四部分。外部框架用于支撑减重机构和重心平衡机构。减重机构由下部驱动气缸、连接部分的钢丝绳和导轮、可穿戴式的减重背心构成，根据患者的自身体重及病情轻重，通过连接在钢丝绳尾部的驱动气缸来减轻患者的自身体重。重心平衡机构在人的正常步态行走过程中，通过安装于平行四边形机构的气弹簧来被动实现，当人在跑步机上行走时，气弹簧会跟随人的重心变化自动伸缩，起到重心研究与开发77机电工程技术2011年第40卷第09期机电工程技术2011年第40卷第09期平衡的目的。最后一部分是腿部机构，根据正常成年人的身高比例尺寸，确定各个构件的基本尺寸，包括髋关节、膝关节和踝关节三个关节，分别连接了该部分的大腿机构、小腿机构和脚部机构，从而组成了可穿戴式步态康复训练机器人外骨骼模型。该模型驱动部分由气缸驱动，并分别安装电位器式位移传感器和拉线式位移传感器，用于检测气缸的伸缩位移量，并将信号送入数据采集卡，通过硬件电路平台，送入由PC机构成的上位机，处理后，由PC机向气动高速电磁阀输入信号，驱动气缸完成动作，从而构成了一套完整的闭环控制系统，控制该机构完成指定动作。3重心平衡机构设计3.1人体重心轨迹研究通过建立一个抽象的人体棍棒模型，分析出人在正常站立时、以及在行走过程中重心最高、最低几种特殊的状态，得到这几个特殊状态的数据，其三维数学方程式如下：式中：L0.3025h2+0.25m2姨，为站立时重心与脚支撑点的距离,为行走过程中重心处于最低点时重心到地面的高度，N（L2S24）（1A24L2S2）姨，A为步宽，S为步长，50cmS80cm。h为身高，m为人站立时两脚支撑点的距离，t0为人行走时左右摆动一次的时间，t为行走时间，V为行走速度。x为人行走时重心上下位移量，y为左右位移量，z为前后位移量3。以身高1.65的人为例，其重心轨迹如图3所示。3.2机械结构设计根据上述人体重心轨迹的变化曲线，可知人体重心平衡是很有必要的。本文设计了一种被动调节该重心变化的机械结构（图4），来实现人体重心的此种变化规律。该重心平衡机构，由一个平行四边形结构和一根气弹簧组成，四边形的四个顶点由铰链连接，可以自由转动。气弹簧是以气体和液体为工作介质的一种弹性元件，由压力管，活塞，活塞杆及若干联接件组成，其内部充有高压氮气，与机械弹簧不同的是，气弹簧具有近乎线性的弹性曲线。当气弹簧受到来自人体的压力时，会根据压力大小自动伸缩，从而缓冲该压力的大小，最终就会跟随人体重心的上下移动，来被动实现人体重心的变化轨迹。4运动仿真SimMechanics利用模块框图的建模环境来对刚体机构运动进行设计和仿真。直接通过模块对实际构件和构件之间的关系来对系统进行建模和设计。在其中加入控制模块即可组成复杂的机电一体化系统41）建立仿真模型在Simulink环境下对步态康复训练机器人进行运动学仿真需要以下几个步骤。1）建立重心调整机构的简化模型，在重心上下变化面上，根据设计方案，确定机架、腿部连接架、和上下支撑臂构成平行四边形机构，气弹簧作为该平行四边形机构的一条对角线，腿部机构和人体的自身重力作为载荷Fn，通过气弹簧提供的弹力F提供支撑。随着气弹簧的伸缩，其行程A会发生改变，四边形形状发生变化，其连接腿部的边就会上下运动，从而带动患者整体重心上下移动，实现人体重心的动态调整。由此可以确立各个构件的尺寸，同时设定相关坐标系参数。2）根据仿真需要添加驱动器，示波器等相关模块。3）获取输入的驱动信号。重心平衡机构要模拟人的正常重心变化，就需要给其输入正常人行走的重心变化曲线，由于人体重心的左右和前后变化量远小于重心上下变化，故在此仅考虑重心上下变化的情况，这里就把气弹簧的行程变化来作为重心平衡机构的输入量，作为其输入参数。气弹簧行程变化计算：研究与开发78机电工程技术2011年第40卷第09期机电工程技术2011年第40卷第09期高电压单芯式移相变压器研制成功近日，天威保变出口加纳，拥有完全自主知识产权的TX-200MVA/161kV移相变压器一次研制成功，主要技术性能指标优完全满足合同要求。单芯式移相变压器一般应用于115kV以下的低电压电力系统中，按照合同要求，此次天威保变出口加纳的TX-200MVA/161kV移相变压器采用了单芯结构。与双芯式移相变压器相比，单芯结构更加节省材料，但对产品的绝缘性能和抗短路能力要求更高。研发过程中，天威保变在原有移相变压器设计经验的基础上，通过仿真计算、模型研究等手段，进行了多次模拟试验，最终确定了合理的结构和调压级排列方式，能够保证产品长期安全稳定运行。链接：与我国由国家统一运营电网不同，很多国家的电力市场不同地区由不同的电力公司经营，所以不同地区的电网也不同，由于不同电力公司之间输变电的需要，移相变压器被广泛用于电力系统。移相变压器的电源侧和负载侧的电压是相等的，但这两侧的相角差在一定范围内是连续可调的，通过相角调节可以控制并联电力系统支路的电流从而解决由于并联传输电路引起的过电流问题，使得电力系统的运行稳定而高效。同时，通过相角的调节，还可以控制输电线路的潮流分布，使得电网能量的分配更为合理。在上式中，人的自重容易测得，f吊大小在0300N之间，F0和K是气弹簧的自身参数，与其尺寸大小有关。足底力f吊可以根据下肢康复训练机器人足底力检测方法获得其变化曲线5，从而就可以得到气弹簧行程A+A的变化。（2）仿真结果分析在Simulink中设置仿真环境参数，启动仿真。在示波器Scope中可以得到仿真设定时间内人体重心变化曲线如图所示。图中实线是根据人体上下重心的数学方程得到的计算曲线，虚线是在Simulink下仿真所获得的仿真曲线，横轴为时间，纵轴为重心上下位移变化量。由图中曲线对比可以看到，仿真曲线与计算曲线相吻合，这就说明了仿真曲线的可行性，同时也从另外一个侧面验证了重心变化数学方程的正确性。5结束语本文根据下肢康复训练机器人的设计要求，应用Pro/E软件制作了康复训练机器人的实体模型，并完成虚拟装配,并利用MATLAB软件中的simulink模块对其重心平衡机构部分进行了运动仿真。该仿真方法有效验证重心平衡模块的设计，为后续设计工作提供了技术保障，对进一步优化这一新型康复训练机器人提供了方便有效的途径。参考文献：1 杨雅琴，张通.减重步行训练对脑卒中后偏瘫步态康复的影响J.中国康复医学杂志，2004（10）：731-733.2 罗爱华，潘翠环，叶彤，等.减重步行训练对脑梗死后偏瘫患者步行功能的影响 J.广州医学院学报，2005，33（04）：18-20.3 张立勋，赵凌燕，胡明茂.下肢康复训练机器人的重心轨迹控制研究 J.应用科技，2005（4）：54-56.4 黄永安，马路，刘慧敏.MATLAB7.0/simulink6.0建模仿真开发与高级工程应用 M.北京：清华大学出版社，2005.5 张晓超，张立勋，赵凌燕.一种下肢康复训练机器人足底力检测方法 J.哈尔滨工程大学学报，2007：447-451.第一作者简介：程卫卫，男，1983年生，河南洛阳人，硕士研究生。研究领域：机电一体化及相关技术。(编辑：王智圣)研究与开发新产品技术79connected to the flange at the mouth of a large thermal stress clip-binding machinery and adopts the theory of plasticity concentration exists through analysis,the position is likely to have processing and finite element analysis to carry out mechanical the risk of thermal fracture zone after prolonged use.Therefore,analysis on clips.We have also proved that it is working within these locations must be taken measures to improve the allowable elastic range and the recycling of the clip is realized.stress can achieve good results by increasing the stiffener.Development and design of clip-binding machinery plays an Key words:exhaust manifold;temperature field;heat important role in improving office efficiency.conduction;thermal stress;finite element analysisKey words:clip;binding machinery;perform official business;efficiency;marketing potential;environmental-friendly11-09-57 A Simulation Study of Magnetic Inrush in 11-09-71 Study of Fast Arithmetic to Synchronized Three-Phase Transformers Based on UMEC ModelXI Si-minMeasurement of Power System Voltage and Current PhasorsAbstract:To distinguish magnetizing inrush is the key to make WEI Jing-yi,ZHANG Zhi-yuantransformer differential relay operate credibly.In this paper,a simulation model is established in PSCAD based on the UMEC Abstract:A fast arithmetic to synchronized measurement of theory,and the inrush waveform characteristics are analyzed.The power system voltage and current phasors is proposed in this simulation results show that the restraint principles based on dead paper.Based on the known signal model and using the sampling angle and second harmonic are reliable,the transformer data of the signal on certain time points,the proposed arithmetic differential protection can work without maloperation.fast gives the signal parameters.The attenuating direct component Key words:transformers;magnetizing inrush;UMECis considered in the arithmetic.With the arithmetic the signal parameters can be calculated even in the fault or oscillation 11-09-60 Fault Diagnosis Study of the Pitch situation of the power system.The proposed arithmetic can be used in PMUs and protection devices.The calculation results of Feedback Board Based on BP Neural Network 123example signals show that the proposed arithmetic is correct and ZHANG Bo,CUI Heng-wu,JIANG Zhi-xin,LI Yan-2,4valid.And the fast characteristic and calculation precision of the feiarithmetic are validated.Key words:power system;synchronized phasor measurement;fast arithmetic;PMU;protection of power systemAbstract:In order to improve the fault covering rate of the pitch 11-09-74 Green Pneumatic Actuating feedback board of the controllable pitch propeller controlling ElementPneumatic Muscle and the Design of system,the BP neural network is applied on the analog circle fault Revolutionary Mechanismsdiagnosis study.The simulation results show that this fault LU Wendiagnosis method has high fault-coverage rate,and easy to realize,which is of great significance to the improvement of maintenance Abstract:Combined with some force-transfer and force-amplifier ability of the power monitoring and control system.structures,which are already existent or innovatively designed,Key words:Neural Network;analog circuit;fault diagnosisthis paper makes the pneumatic muscle as the basic force input element,and then,investigates and analyzes its actual application 11-09-63 Based on the Technology of In-Wheel direction.Motors of Electric Vehicle on the Research of Speed Key words:pneumatic muscle;green;force amplifier RegulationWANG Qun,YANG Lin,LI Qi 1109-77 Mechanical Structure Design of Lower Limb-Walking Training Robot for RehabilitationCHENG We-wei,HAN Jian-hai,CHEN Jian Abstract:Electric automobiles have gradually entering the modern car market.Nowadays,there are a great many novel Abstract:For the rehabilitation problem that as a result of nerve technology of automobile driving appeared,where the technology damage in patients lead to lower limb movement disorder,the of in-wheel motors win with its superior performance,compact pressure-driven mechanical structure of a lower limb layout forms in the field of electric vehicle,which have already rehabilitative robot was designed.Three-dimensional virtual been put into practical applications,but to make electric vehicle model of the institution was constructed by Pro/E.This paper has a good performance,it suggests the drive motor should have a analyzes the change law of gravity center during human walking.wider range of speed.The article will discuss the in-wheel motors The balancing mechanism of gravity center was designed and control system from the current speed control method which is conducted a kinematical analysis.Simulation results shows that frequently used and the development of the electric car in the the mechanism design and control method with feasibility and future.effectiveness.Key words:electric vehicle;in-wheel motors;control system;Key words:rehabilitation training;robot;balance of gravity speed regulationcenter;kinematics11-09-67 Development and Design of Clip-Binding 11-09-80 Design of Fast Locking Loading Mechanism Machineryfor Time Data CardWU Xu-feng,LIN Hai-sheng,KONG Chui-ying,CHEN TONG bo Ming-tao,LIN Nan-feng,HE Jian-wenAbstract:As a sign of new technology in product,fast locking mechanism is applied widely.With the application of the SSR Abstract:This paper describes the composition and principle of system,the fast locking mechanism of the time data card is (Faculty of Automation,Guangdong University of Tech,Guangzhou510006,China)(School of Electrical Engineering,Xian Jiaotong University,Xian 710049,China)(1.Naval Equipment Department,Datong037036,China;2.Equipment Department of 92001 Division,Qingdao266000,China;3.Navigation Guarantee Department of Navy Headquarters,Tianjin300042,China;4.Naval University of Engineering,Wuhan430033,China)(Suzhou Industrial Park Institute of Vocational Technology,Suzhou 215123,China)(College of Mechanical Engineering,Guangdong University of Technology,Guangzhou510090,China)(Henan University of Science and Technology,Luoyang471003,China)(Sichuan jiuzhou ATM Technology Co.,Ltd,(The Faculty of Materials Mianyang621000,China)and Energy Guangdong University of Technology,Guangzhou510006,China)Abstracts113