下肢外骨骼行走康复机器人研究

下肢外骨骼行走康复机器人研究 下肢外骨骼行走康复机器人研究 (申请上海交通大学硕士学位)培养单位:上 海交通大学塑形成形技术与装备研究院专 业:材料加工工程研究方向:数字化制造 技术导 师:谢叻 教授硕 士 生:饶玲军 二?一二年二月RESEARCH OF LOWER-LIMB EXOSKELETON WALKING REHABILITATION ROBOT A Thesis Submitted to Shanghai Jiao Tong University For Master Degree Master Candidate:RAO Lingjun Supervisor:Prof. XIE Le Department of Plasticity Engineering Shanghai Jiao Tong University February，2012上海交通大学硕士学位论文 摘要 下肢外骨骼行走康 复机器人研究 摘要 外骨骼机器人Exoskeleton Robot 是一种可穿戴在操作者身体 外部的一种机械装置，提供保护、身体支撑和运动等功能。 本文首先学习了脊髓损 伤的医学理论以及截瘫产生的原因，明确下肢外骨骼机器人的任务和目标。利用下 肢外骨骼行走康复机器人辅助患者摆脱轮椅重新站立并行走，不仅可以帮助截瘫患 者在生活上更加自立，而且可以恢复患者部分肌肉功能，降低脊髓损伤后并发症发 生的概率。 在研究过程中，人体下肢的生理结构和运动学，脊髓损伤后截瘫患 者的生理特征，包括截瘫后下肢的表现，异常运动模式与运动功能恢复形式。在此 基础上，分析人体下肢的结构和运动学，结合人机系统的设计要求，将机器人的设 计制定为辅助人体下肢髋、膝、踝三个关节同时参与运动的外骨骼式机器人。 按 照这一方案，设计了下肢行走康复机器人的机械结构，并研制了样机。该机器人是 一款有驱动的下肢外骨骼式机器人，包括了外骨骼本体和拐杖模块。外骨骼机器人 单下肢具有三个自由度，分别是髋关节的屈曲/伸展;膝关节的屈曲/伸展;踝关节 的跖屈/背屈，利用较少的自由度来实现行走，降低了机构的复杂程度，提高了装置 的效率。髋关节和膝 I上海交通大学硕士学位论文 摘要关节的运动通过驱动器实 现，该驱动器是在滚珠丝杠副基础之上加了两对受压弹簧，这可以有效地实现运动 的缓冲和模拟关节运动时肌肉的动作方式;踝关节自由度通过一副对拉弹簧实现， 可以有效地减少地面的对外骨骼本体的冲击能量。拐杖模块是外骨骼机器人的控制 开关，同时也可以平衡患者行走时的重心，拐杖模块与下肢外骨骼本体机械上独立 并与外骨骼本体电连接。外骨骼机器人通过采集拐杖与地面的接触信息来控制膝关 节和髋关节的屈伸运动，从而帮助患者实现跨步行走。针对研制的外骨骼机器人模 型出现的问，为后续研究者提出了改进建议。 关键词:截瘫，下肢，康复行走， 机器人，外骨骼 II上海交通大学硕士学位论文 ABSTRACT RESEARCH OF LOWER-LIMB EXOSKELETON WALKING REHABILITATION ROBOT ABSTRACT Rehabilitation robot is a wearable mechanical device which can protectthe operator support the body and help the operator to walk. In this paper the paraplegia caused by spinal cord injury have beenstudied make definite of the missions and goals of the lower extremityexoskeleton. Making use of lower extremity exoskeleton robot to helppatients get rid of a wheelchair to stand and walk again which can helpparaplegics be more self-reliant in their daily lives and also restore patients’some muscle function. In the course of the study after understanding the characteristics ofparaplegia after spinal cord injury including the performance of lower limbabnormal movement patterns and motor function recovery patterns. Then thepaper learned the common movement treatment after paraplegia. On this basisit analyzed the structure and kinematics of human lower-limb. Combined withman-machine system design requirements we develop the design proposal oflower limb exoskeleton robot which assisted hip knee ankle joints move atthe same time. 1上海交通大学硕士学位论文 ABSTRACT According to this scheme the paper designed the mechanical structure ofthe lower extremity exoskeleton robot. The robot consist exoskeleton andcrutch module which were driven by the elastic actuator. Each leg of theexoskeleton has three degrees of freedom namely the hip flexion / extensionknee flexion / extension ankle plantar flexion / dorsiflexion take theadvantage of the indispensable DOFs to drive the robot which can reduce thecomplexity of the structure and improve the efficiency of the device. Theformer two was driven by the actuator. The actuator is based on ball screwwhich consist the two pairs of compression springs this can be an effectiveway to achieve to reduce the vibration and simulated muscle action duringjoint movement. The later movement came from one pair of pull springwhich can reduce the impact energy from the ground. The crutches module isnot only the control switch of the exoskeleton robot but also can balance thecenter gravity of the patients when walking. The crutch module isindependent with the exoskeleton but connect with the exoskeleton inelectrical. By the way of collecting contact information between crutches andthe ground we can control the knee and hip flexion and extension thushelping patients to achieve step. Due to the problem of the robot model，Ihave proposed some recommendations for the follow-up researcher.Keywords: paraplegia lower-limb rehabilitation walk robot exoskeleton 2上海交通大学硕士学位论文 目录 目录摘 要 .......................................................................................................................................... ..... IABSTRACT ........................................................................................................................ ..............1第一章 绪 论 ..................................................................................................................................1 1.1 课题的背景和意 义 ......................................................................................................................... 1 1.1.1 课题的背 景 .............................................................................................................................. 1 1.1.2 课题的意 义 .............................................................................................................................. 2 1.2 课题的国内外研究现状和发展趋 势 ............................................................................................. 3 1.2.1 国外研究现 状 .......................................................................................................................... 3 1.2.2 国内研究现 状 ........................................................................................................................ 12 1.2.3 下肢外骨骼机器人发展趋 势 ................................................................................................ 14 1.3 课题目前需要解 决的问题 ........................................................................................................... 15 1.3.1 目前已具有的能 力 ................................................................................................................ 15 1.3.2 技术 难点 ................................................................................................................................ 15 1.4 课题的研究内 容 ........................................................................................................................... 16 1.4.1 研究目 的 ................................................................................................................................ 16 1.4.2 研究方 法 ................................................................................................................................ 16 1.4.3 研究内 容 ................................................................................................................................ 17 1.5 本论文的研究和组织结 构 ................................................................................................... 17第二章 脊髓损伤后下肢运动及康复需求 .................................................................................... 18 2.1 脊髓损伤后截瘫的本质 ............................................................................................................... 18 2.1.1 脊髓损伤概 述 ........................................................................................................................ 18 2.1.2 截瘫概 述 ................................................................................................................................. 21 2.2 下肢解剖 学 ................................................................................................................................... 21 2.3 人体行走步态原 理 ....................................................................................................................... 25 2.4 脊椎损伤后截瘫的康复评定标 准 ................................................................................................ 28 2.5 本章小 结 ........................................................................................................................................ 29第三章 外骨骼机器人机械结构设 计 ........................................................................................... 30 3.1 人体下肢自由度分布和尺寸 ....................................................................................................... 32 3.2 材料的选择 ................................................................................................................................... 33 3.3 总体结构设 计 ................................................................................................................................ 34 1上海交通大学硕士学位论文 目录 3.4 踝关节及足部模 块 ....................................................................................................................... 35 3.5 膝关节运动模 块 ............................................................................................................................ 37 3.6 髋关节运动模 块 ........................................................................................................................... 38 3.7 腰部及支撑架模 块 ........................................................................................................................ 39 3.8 弹性驱动器模 块 ........................................................................................................................... 39 3.8.1 机器人的驱动形式概 述 ........................................................................................................ 39 3.8.2 驱动机构的设计与选择 ........................................................................................................ 40 3.9 拐杖模 块 ....................................................................................................................................... 43 3.9.2 外骨骼机器人的运动控制方 式 ............................................................................................. 44 3.10 关节限位设 计 .............................................................................................................................. 45 3.11 外骨骼机器人的加工与装 配 ..................................................................................................... 46 3.12 本章小 结 ..................................................................................................................................... 47第四章 下肢外骨骼机器人运动控制设 计 .................................................................................... 48 4.1 运动控制概 述 ............................................................................................................................... 48 4.2 驱动器行程的确 定 ....................................................................................................................... 48 4.3 控制系统的设 计 ........................................................................................................................... 51 4.3.1 控制电机的选 择 .................................................................................................................... 51 4.3.2 电机型号选择 ........................................................................................................................ 53 4.3.3 驱动器和电源的选 择 ............................................................................................................ 56 4.4 外骨骼机器人的运动学分析 ........................................................................................................ 58 4.4.1 D-H 坐标变 换 ......................................................................................................................... 58 4.4.2 外骨骼机器人的运动学方 程 ................................................................................................ 61 4.5 系统的运动控制 ........................................................................................................................... 62 4.5.1 控制系统的实 现 .................................................................................................................... 63 4.5.2 驱动程序的实现 .................................................................................................................... 63第五章 总结和展 望 ..................................................................................................................... 67 5.1 全文总结 ....................................................................................................................................... 67 5.2 研究展 望 ........................................................................................................................................ 67致 谢 ............................................................................................................................................. 69参考文 献 ..................................................................................................................................... 70硕士期间发表的学术论文及申请的发明专 利 .............................................................................. 74 2上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 第一章 绪论1.1 课题的背景和意义1.1.1 课题的背景 脊髓损伤 (Spinal Cord Injury SCI)是指由于各种外力作用于脊柱所造成的脊髓压迫或断裂。脊髓是感觉、运动、植物神经系统的传导通路，因此损伤的主要症状是由于传导通 路的中断而引起的麻痹1。脊髓损伤所导致的截瘫是一种严重的残疾，严重影响患者生活自理能力和参与社会活动的能力。第二次世界大战后，大量脊髓损伤退伍军人的安置成为不可回避的社会问题，从而促使一些发达国家采取积极的康复治疗，使许多患者有机会回归社会，并在相当程度上延长了脊髓损伤患者的寿命。近年来，随着医学和康复技术的不断提高，更多的脊髓损伤患者不仅从初次损伤中存活下来，而且生活充实并能活到老年。在美国，每年因创伤而发生的急性脊髓损伤约8000-10000 例，最常见的原因是车祸、坠落伤和火器伤2。在我国脊髓损伤的发生率呈逐年上升的趋势，2008年汶川大地震后很多人都有不同程度的脊髓损伤，因脊髓损伤而产生截瘫和四肢瘫痪者也给家庭和社会带来了沉重的负担3-4。因此，寻求有效的康复手段，使患者能够在一定程度上恢复失去的功能，帮助患者借助康复设备站立并且行走，不仅有利于提高患者本身的生活质量，也可以减轻家庭和社会的负担。 大部分的截瘫患者都借助轮椅以达到最大程度上的生活自理，站立和步行是截瘫患者的最大愿望，对于截瘫患者的站立训练，其目的主要是训练血管的神经调节功能，防止肌肉废用性萎缩和防止患者因久坐而引起的痤疮等等，站立、步行还可以防止下肢关节挛缩，减轻骨质疏松，促进血液循环4-6，因此，为截瘫患者设计一款帮助其站立及行走的康复设备是迫切而且有必要的。 外骨骼机器人Exoskeleton Robot 是一种穿戴在操作者身体外部的一种机械装 7置 ，同时融合了传感、控制、信息耦合、移动计算等机器人技术，提供.