微型化外骨骼康复辅助系统的设计与实现

2023年第47卷第12期Journal of Mechanical Transmission(2-PUR/UPS) &R混联式颈椎外骨骼的设计及运动性能分析宋胜涛魏占宝任毅明武文娇（中北大学机械工程学院，山西太原030051）摘要针对颈椎病患者的颈部牵引康复训练，提出了一种混联式（2-PUR/UPS）&R颈椎康复机器。

该机器具有3R1T共4个自由度，符合人体颈椎的活动度要求；通过对该机器的运动学性能分析，验证其是否可以应用在人体颈椎康复领域。

首先，利用螺旋理论和修正的Kutzbach-Grvble公式对机构的自由度进行求解和验证；其次，通过求解机构的位置反解，得到机构的杆长，编写求解工作空间的程序，利用数值搜索法得到机构的工作空间；最后，通过Adams软件对该机构进行了仿真分析。

结果显示，该机构能够达到颈椎活动所需的范围，其中，前倾后仰为-55°～35°，左旋右旋为-52°～52°，左右侧屈为-45°～45°，能够为颈椎病患者提供牵引治疗。

关键词康复机器颈椎位置反解工作空间Adams软件Design and Kinematic Performance Analysis of the (2-PUR/UPS) &R HybridCervical ExoskeletonSong Shengtao Wei Zhanbao Ren Yiming Wu Wenjiao（School of Mechanical Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China）Abstract In this study, a hybrid type (2-PUR/UPS) &R cervical vertebra rehabilitation machine is proposed for the cervical traction rehabilitation training of patients with cervical spondylosis. The machine has 3R1T four degrees of freedom and meets the requirement of the range of motion of human cervical vertebra. The kinematic performance of the machine is analyzed to verify whether it can be applied in the field of human cervical vertebra rehabilitation. Firstly, the degrees of freedom of the mechanism are solved and verified by using the spiral theory and the modified Kutzbach-Grvble formula. Secondly, by solving the inverse solution of the position of the mechanism, the rod length of the mechanism is deduced, the program of solving the workspace is written, and the workspace of the mechanism is obtained by the numerical search method. Finally, the mechanism is simulated and analyzed by Adams software. The results show that the mechanism could reach the range required for cervical spine movement, including -55° to 35° for forward and backward leaning. Left-handed and right-handed is -52° to 52°; the left and right lateral flexion is -45° to 45°, which can provide traction treatment for patients with cervical spondylosis.Key words Recovery machine Cervical spine Inverse solution Workspace Adams software0 引言颈椎是人体脊柱中长度比较小的节段，却一直承载着头部的质量，且运动幅度较大，灵活性较高[1]。

一种可提高和改善步行功能的装置：动力下肢外骨骼系统的设计及应用王一吉;李建军【摘要】Lower extremity exoskeleton system is a kind of human-machine robot, which combines the artificial intelligence with the power of mechanism. Recent years, the field of lower extremity exoskeleton robots have rapidly evolved and development of relevant technologies have dramatically increased these robots available for facilitating human walking function that could only be imagined a few years ago. Some technologies are so new that they lack the scientific evidence that would justify their use in the real setting. This paper presents an over view of design configurations, control methods and simulation test used for lower extremity exoskeleton robots. Further research efforts are required in order to incorporate many of the new technologies described in this review to promote the development of the lower extremity exoskeleton robots.%下肢外骨骼系统是一种结合了人工智能和机械动力装置的机器人。

三自由度上肢机械助力外骨骼模型设计摘要机械外骨骼是近年来的研究热点，从各类康复机器人的研制到军事上机械战甲的开发，各类成果见诸报端，机械外骨骼的主要功能是协调运动，提供助力，使运动更加轻松省力。

随着我国老年人口的增多以及庞大的残疾人口基数，机械外骨骼的研制在我国有着现实的意义。

本次设计主要针对医院，敬老院和普通家庭的日常护理，帮助护工照顾失去运动能力的老年人和病患，协助其完成对病人的翻身，转移病床和将病人抱到轮椅上等基本的护理工作。

通过查询中国成年人口平均身体尺寸，估算一个大致的尺寸数据，采用三维建模软件UG进行模型制作，并通过计算校核，设计满足要求的弹簧，最后将三维图形装配起来，验证本次机械外骨骼的合理性。

为了实现协调助力的目的，本次设计的机械外骨骼在关节处采用了创新的机械结构，外部的大轮嵌套在内轮上，弹簧内置，既保证了材料的刚度强度要求，又保证了结构的合理性。

随着科学技术的提高，机械外骨骼助力系统朝着更加先进化，智能化和小型化的方向发展，新材料新加工工艺的采用，人工智能的应用都在促使此类研究的不断发展。

关键词：机械上肢外骨骼；三维建模；助力；压缩弹簧；护理Three - degree - of - freedom upper limb machinery for externalskeletal designAbstractMechanical exoskeleton is a hot research topic in recent years, the development of various types of rehabilitation robots into military mechanical armor development, all kinds of results reported in the newspapers, the main function of mechanical exoskeleton is the coordinated movement, provide assistance, is the movement more easily. With the increase of the elderly population and the large population base of disability, the development of mechanical exoskeleton is of practical significance in china. This design mainly aims at the hospital, the daily nursing homes for the elderly and ordinary families, help carers lose ability to exercise the elderly and sick, assist the patient to turn over, transfer will hold to the wheelchair beds and patient basic nursing work. By querying the average body size China adult population, estimated a general size data, using 3D modeling software UG modeling, and through the calculation of the design to meet the requirements of the spring, the 3D assembly, the validation of the rationality of mechanical exoskeleton. In order to achieve the goal of boosting coordination, the design of the mechanical exoskeleton of the mechanical structure innovation in the joints, the external gear wheel spring, nested, built-in, ensure the stiffness and strength of materials, but also ensure the rationality of the structure. With the improvement of science and technology, mechanical exoskeleton power system towards a more advanced, intelligent and miniaturization, the new processing technology of new materials, the application of artificial intelligence are constantly promote the development of this kind of research.Key words: Mechanical upper limb;Exoskeleton;3D modeling;Power assisted compression; Spring care目录1 前言 (1)1.1 项目分析 (1)1.2 研究现状 (1)1.3 研究难点 (2)2 人体结构及运动学分析 (5)2.1 人体结构学分析 (5)2.2 项目方案分析 (5)2.3 人体基本尺寸数据 (6)2.4 上肢运动特性 (7)3 关键节点结构的设计与分析 (10)3.1 结构方案分析 (10)3.2 外骨骼各部件的拆分 (11)3.3 设计参数的确定 (11)3.4 上肢机械助力外骨骼的运动学分析 (12)4 外骨骼各部件的设计 (16)4.1 肘关节设计 (16)4.2 肘关节弹簧的设计计算 (17)4.3 肩关节的设计 (23)4.4 肩关节弹簧的设计 (24)4.5 腕关节及手掌支板的设计 (29)4.6 前臂与上臂的设计 (29)4.7 脊背的设计 (30)5 上肢机械外骨骼装配图 (32)5.1 三维建模软件UG介绍 (32)5.2 上肢机械助力外骨骼装配图 (32)5.3 基于UG软件的上肢结构运动仿真 (34)6 总结与展望 (38)6.1 总结 (38)6.2 展望 (38)1 前言1.1 项目分析在目前的中国社会中，60岁以上的老年人口越来越多，据第6次全国人口普查的数据可知[1]：全国60岁以上人口为177648705人，占总人口的比例为13.26%，与2000年第五次人口普查数据相比，60岁以上老年人口比重上升了2.93个百分点，由国际惯例可知，当一个国家或地区60岁以上的老年人口占人口总数的10%，或65岁以上老年人口占人口总数的7%，即意味者这个国家或地区进入了人日老龄化社会，因此我国早已进入了人口老龄化社会，而且老龄化程度在提高。

康复外骨骼机器人的研究现状及发展趋势探讨作者：刘恒白泽杨陈俊宇李博皓魏俏俏来源：《机电信息》2020年第09期摘要：康复外骨骼机器人是一种可穿戴的、模仿人体生理构造的医疗机械装置，穿戴于患者肢体外侧，辅助患者进行日常活动和康复训练。

近年来，人工智能、传感、生物医学等先进技术不断发展，吸引了国内外各科研院所、机构对康复外骨骼系統进行进一步的研究。

现阐述国内外不同控制方式的外骨骼机器人的研究现状，并对康复外骨骼机器人的发展趋势进行分析和总结。

关键词：康复外骨骼机器人;现状;趋势0 引言“外骨骼”（Exoskeleton）这一名词最早来源于一个生物学概念，指的是昆虫等节肢动物的身体结构。

随着人工智能、传感、生物医学等先进技术的不断发展，外骨骼机器人技术于近20年间取得了空前进步，且广泛应用于医疗、军事、工业等领域。

早期对于外骨骼机器人的研究主要是为了提高士兵的行动和负重能力，而随着医疗需求的不断增长，在全球老龄化趋势加重的背景下，康复外骨骼机器人成为世界各国研究的新方向。

这类装置不仅是中风、脊髓损伤引起的运动障碍康复训练的重要技术手段，还能够帮助卒中患者、脑外伤患者解决行走障碍等问题，因而应用潜力巨大。

目前，康复外骨骼机器人种类繁多，厂家主要有以色列的ReWalk公司、美国的Ekso Bionics公司、日本的Cyberdyne公司、Honda公司和新西兰的Rex公司等。

我国对康复外骨骼下肢助力机器人的研究始于21世纪初，目前正处于起步阶段。

各研究机构在参考借鉴国外先进康复外骨骼助力机器人的基础上，加以自身的创新与研发，已有不少康复外骨骼助力机器人样机问世，也有相当不错的表现。

1 国外研究状况日本筑波大学Cybernics研究中心于1995年研制的原型机HAL（Hybrid Assistive Limb）是一款较早的外骨骼动力服。

该外骨骼机器人的设计初衷是帮助年迈者和残疾人进行康复运动[1]。

该康复外骨骼机器人本质上是一种可穿戴式行走用机器人，当使用者试图行走时，大脑会通过神经向肌肉发送电生理信号，HAL通过传感器可以在人体的皮肤表面捕捉到这种电信号，并激活伺服系统，驱动电动马达迅速动作。

智能下肢外骨骼康复系统作者：李叶来源：《设计》2021年第22期看点大脑重建原理个性化主动辅助仿生、轻量、易穿戴、易转运脑卒中患者及时有效康复介入可以极大提高康复效果，降低致残率。

丞辉威世下肢外骨骼机器人覆盖康复全周期，首创脑卒中偏瘫从卧位到步态训练及步态评估的完整智能化解决方案，帮助更多患者恢复行走。

丞辉威世智能下肢外骨骼康复系统根据大脑重建原理，将任务导向练习和智能康复机器人训练结合，帮助患者协同完成有控制性的运动功能训练（卧位训练、坐站训练、平衡训练及步态训练），通过重复的强化训练，从而促进大脑中枢神经系统的功能重建。

基于人工智能技术实现意图侦测，基于机器学习实现个性化主动辅助;适用多种康复场景，云端数据平台加持，使康复辅助更智能科学;产品仿生、轻量、易穿戴、易转运。

针对于脑卒中等导致下肢运动功能障碍的患者进行坐站转移、站位平衡及步态训练。

通过坐站、行走训练，恢复身体机能，达到步行功能康復效果，帮助患者回归日常生活和工作。

深圳市丞辉威世智能科技有限公司是一家依托自身优秀团队和合作伙伴在康复医疗、人工智能等领域拥有雄厚技术实力，专业从事康复机器人、助力机器人和相关高科技产品研发、生产、销售的国家高新企业。

公司研发的智能下肢外骨骼康复系统包含两款产品，其中的步态下肢外骨骼康复训练机器人获得了本年度德国红点奖，卧式外骨骼康复训练机器人获得了本年度的金芦苇奖。

《设计》梁余意深圳市丞辉威世智能科技有限公司智能下肢外骨骼康复系统设计师，产品经理《设计》：产品前期调研发现了市场、产品和用户的哪些痛点？得出怎样的结论？梁余意：我们在前期走访医院的过程中，发现脑卒中患者在医院现有的康复环节中的早期阶段，康复设备的使用是缺失的，主要的康复效果还是来自康复师的手法的治疗，但是我国康复师的缺口很大，并且一天下来康复师需要为8～10位以上的患者进行手法治疗，对于康复师而言工作强度非常强。

对于患者而言，在脑卒中早期的卧床阶段，由于神经回路被阻断，患侧肢体由于无法运动开始肌肉萎缩和痉挛，这也是常见到脑卒中患者患侧的下肢比健侧下肢更为瘦弱的原因，而康复训练越是早期介入，患者预后的效果越好。

下肢外骨骼康复机器人设计及其运动学分析夏田;桓茜;陈宇;徐建林;韩瑞琪【摘要】A rehabilitation device of human lower limb exoskeleton is designed for walking aids and rehabilitation training using the way of motor drive.By establishing the D-H (Denavit-Hartenberg) model of lower limb exoskeleton,the coordinate equations of hip joint,knee joint and ankle joint are derived.The kinematics simulation of lower limb exoskeleton is performed under the ADAMS environment.The coordinate curves of hip,knee and ankle joints are analyzed.The results show that the joints of the lower limb exoskeleton have a continuous trajectory in space.%采用电机驱动方式,设计一种用于辅助行走和康复训练的人体下肢外骨骼康复装置.将下肢外骨骼简化为矢状面内的五杆机构,建立相应的D-H(Denavit-Hartenberg)模型,推导出一个步态周期内髋关节、膝关节、踝关节和脚尖的坐标方程.在ADAMS环境下,对下肢外骨骼进行运动学仿真分析,所得到的髋关节、膝关节和踝关节的坐标变化曲线表明:下肢外骨骼各关节在空间中具有连续的运动轨迹.【期刊名称】《华侨大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2017(038)004【总页数】5页(P452-456)【关键词】下肢外骨骼;五杆机构;运动学方程;D-H模型;仿真分析;ADAMS软件【作者】夏田;桓茜;陈宇;徐建林;韩瑞琪【作者单位】陕西科技大学机电工程学院, 陕西西安 710021;陕西科技大学机电工程学院, 陕西西安 710021;陕西科技大学机电工程学院, 陕西西安 710021;陕西科技大学机电工程学院, 陕西西安 710021;陕西科技大学机电工程学院, 陕西西安 710021【正文语种】中文【中图分类】TP2422015年底，我国60岁以上的老年人口约占到总人口的16%，呈现出老龄化趋势.老年人的行走运动障碍问题已经成为社会运作的一个巨大压力.用于辅助康复和治疗的机器人越来越多地被用来帮助老年人、残疾人和运动障碍患者进行辅助行走和康复训练，机器人辅助下肢康复的领域也得到了迅速地发展[1-4].下肢外骨骼康复机器人是一种具有一定可穿戴性的机械系统装置，要求外骨骼装置与人体下肢高度地耦合以辅助人体下肢运动，即要求其工作原理应尽可能地满足人体下肢的运动机理，实现一种整体的协调运动.本文采用电机驱动方式，设计出一种下肢外骨骼机械结构，建立了下肢外骨骼的D-H(Denavit-Hartenberg)运动学模型，并在ADAMS环境下对其运动学方程进行了仿真分析.一个步态周期是指从一侧足跟着地到该足跟再次着地所经历的时间，如图1所示.以右腿(图中黑色部分)为研究对象，将整个步态周期划分为3个典型的步态时相，包括单腿支撑相、双腿支撑相和摆动相.其中，支撑相表示足部和支撑面之间接触，摆动相表示足部和支撑面之间离开[5].一个步态周期内，左侧腿和右侧腿上髋关节、膝关节和踝关节的屈/伸角度(α)随着时间(t)的关系曲线，如图2所示.由图2可知：髋关节屈/伸的活动度为-2.40°～29.00°；膝关节屈/伸的活动度为1.25°～54.00°；踝关节背屈/趾屈的活动度为-4.00°～33.00°.2.1 下肢外骨骼结构特征下肢外骨骼结构特征，如表1所示.对人体下肢向机械进行简化，将大小腿及脚骨头视为刚性杆件，髋关节、膝关节和踝关节视为杆件之间的运动副，肌肉组织则起着驱动的作用.2.2 下肢外骨骼机械结构设计一种电机驱动型的仿人型下肢外骨骼康复机器人，如图3所示.它主要包括动力源、背带架、髋部支架、髋部驱动、膝部驱动和踝部机构等.根据各关节的力矩，在下肢外骨骼髋关节和膝关节处分别设计一个驱动电机，髋关节处电机和大腿部采用垂直布置方式；膝关节处电机和小腿采用平行布置方式，并且电机和膝关节之间设计一个直角锥齿轮的换向装置.这种布位方式使膝关节处的横向尺寸减小，提高了膝部安装和驱动的稳定性，更加有利于人体的正常平稳行走.人正常行走时，踝关节背屈/趾屈运动的重要性更为突出，又因踝关节自身空间比较狭小，且大多数踝关节处的扭伤主要发生在背屈/趾屈上，故踝关节处的设计只保留实现人体踝关节背屈/趾屈运动的1个自由度.各关节的自由度处分别设计有限位结构的功能，以满足各关节的活动度.此外，身高160～180 cm的人群大小腿长度变化范围约6 cm，故在下肢外骨骼大小腿构件上有6 cm以上的长度调节.3.1 D-H模型的建立下肢外骨骼机器人是一种由多个刚性构件串联而成的开环链式结构[6].由于下肢外骨骼的对称性，只需建立一侧外骨骼的模型即可，将其简化为五杆模型，如图4所示.图4中：O0X0Y0Z0是建立在背带架和髋部支架连接处的坐标系；O1，O2和O3分别为髋关节(屈/伸)、膝关节(屈/伸)和踝关节(背屈/趾屈)的运动坐标系原点；l1，l2，l3和l4分别为髋部支架、大腿、小腿和脚部构件的长度；θi为杆件i 与坐标系x轴之间的夹角；αi为相邻坐标系z轴之间的夹角；di为相邻坐标系z轴之间的距离.在矢状面内，各关节的轴线和坐标系原点均在同一平面内，故αi=0，di=0，下肢外骨骼D-H模型的运动参数，如表2所示.下肢外骨骼D-H模型中相邻杆件的位姿矩阵分别为3.2 运动学分析下肢外骨骼的运动学正问题是根据图1所知的各关节的角度随时间的变化关系曲线，求解各关节相对于坐标系O0X0Y0Z0的位置和姿态，进而得到步态周期内各关节随时间的轨迹变化曲线.下肢外骨骼膝关节、踝关节及脚尖相对于坐标系O0X0Y0Z0的位姿矩阵分别为上式中:R02，R03和R04分别表示膝关节、踝关节和脚尖的姿态；P02，P03和P04分别表示膝关节、踝关节和脚尖的位置.又因髋关节、膝关节和踝关节分别为其运动坐标系的原点，根据齐次坐标变换原理，可知各关节及脚尖在矢状面内相对于坐标系O0X0Y0Z0的齐次坐标方程为上式中:dhip,dknee,dankle和dtoe分别为步态周期内髋关节、膝关节、踝关节和脚尖的坐标方程.取θ2=90°，θ3=0°，θ4=90°，即为人体站姿，θ2′=0°，θ3′=90°，θ4′=90°，即为人体坐姿，将其分别代入上式，则可得两种姿态下各关节的坐标为根据各关节的坐标式可知，人体正常站和坐时，下肢外骨骼机器人的各关节的位姿符合要求，说明下肢外骨骼的运动学分析是正确合理的.4.1 ADAMS环境下的仿真将图2所示的下肢外骨骼机器人的简化模型导入ADAMS中，分析其在一个步态周期(1.5 s)中矢状面内的髋关节、膝关节和踝关节的运动轨迹变化曲线，验证下肢外骨骼装置模拟人体行走的合理性，有如下3个主要分析过程.1) 下肢外骨骼各关节连接处定义为旋转副约束，在髋部支架的质心位置设定为移动副约束,在脚部构件与行走支撑面之间设定为接触力约束(solid-solid)[7].2) 图1所示一个步态周期内各关节的角度随时间的变化数据，将其保存为.txt格式，导入ADAMS中生成左腿和右腿各个关节的Spline曲线函数[8-9].3) 在各关节的旋转副约束处设定为旋转驱动，并将各关节的驱动函数修改为AKISPL (time，0，SPLINE_1，0)*1d，AKISPL (time，0，SPLINE_2，0)*1d等. 人体正常行走的步态周期为1.5 s，故仿真时间设定为1.5 s.图5为一个步态周期内样机模型的仿真运动.图5中：各关节具有连续的运动轨迹，可以满足下肢运动的可达性，符合人体正常行走的运动特征.以下肢外骨骼的右侧腿为例，仿真结束后，在坐标系O0X0Y0Z0对应的位置处创建Marker点(即坐标点O0)，分别测量髋关节、膝关节和踝关节相对于该Marker点的距离变化曲线，如图6所示.4.2 仿真结果分析下肢外骨骼在一个步态周期内，髋关节(屈/伸)设计在髋部支架的下端，髋关节的坐标原点O1相对于坐标点O0在X和Y方向上的运动是不变的，故髋关节水平方向和竖直方向的变化曲线为一条直线(图6(a)).其中,竖直方向的50 mm为实体结构中髋关节中心与髋部支架之间的杆件长度，而在D-H模型的理论分析中，未考虑结构的实际装配，故dhip的y值为0.膝关节(屈/伸)和踝关节(背屈/趾屈)的坐标原点O2和O3相对于坐标点O0在X 和Y方向上的运动是变化的.图6(b)中：0.5 s时刻，下肢外骨骼右侧腿的大腿处于竖直支撑状态，膝关节水平方向上与O0点的距离为125 mm，膝关节竖直方向有最大值546 mm，即右侧腿的膝关节中心与髋部支架之间的杆件总长度为546 mm(图2中大腿杆件长496 mm)；1.12 s时刻，右侧腿的大腿摆动到最大位置，膝关节水平方向有最大值353 mm，竖直方向有最小值483 mm.图6(c)中的最大值942 mm表示在竖直支撑状态时踝关节中心与髋部支架之间的杆件总长度(图2中小腿杆件长396 mm).1) 采用电机驱动方式，设计出一种人体下肢外骨骼康复装置，并且膝关节和电机之间设计有直角锥齿轮的换向装置，踝关节处的设计只保留1个实现踝关节背屈/趾屈运动的自由度，各关节的自由度处分别设计有限位结构的功能.2) 在矢状面内，将下肢外骨骼简化为五杆机构，建立其D-H数学模型，推导出一个步态周期内髋关节、膝关节、踝关节和脚尖的运动学方程.3) 通过ADAMS的仿真分析，得到髋关节、膝关节和踝关节的坐标变化曲线，结果表明:各关节在空间中具有连续的运动轨迹，并且各关节仿真曲线符合理论分析，为下肢外骨骼的结构设计和运动学研究提供重要的依据.【相关文献】[1] CHEN Bing，MA Hao，QIN Laiyin，et al.Recent developments and challenges of lower extremity exoskeletons[J].Journal of Orthopaedic Translation，2016，5(10):26-37.[2] YAN Tingfang，CEMPINI M，ODDO C M，et al.Review of assistive strategies in powered lower-limb orthoses and exoskeletons[J].Robotics and Autonomous Systems，2015，64(11):120-136.[3] ESQUENAZI A，TALATY M，PACKEL A，et al.The ReWalk powered exoskeleton to restore ambulatory function to individuals with thoracic-level motor-complete spinal cord injury[J].American Journal of Physical Medicine and Rehabi，2012，91(11):911-921.[4] KOZLOWSKI A，BRYCE T，DIJKERS M.Time and effort required by persons with spinal cord injury to learn to use a powered exoskeleton for assisted walking[J].Topics in Spinal Cord Injury Rehabilitation，2015，21(2):110-121.[5] KIM W，LEE S H，KANG M，et al.Energy-efficient gait pattern generation of the powered robotic exoskeleton using DME[C]∥IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems.Taipei:IEEE Press，2010：2475-2480.[6] CHEN Jiangcheng，ZHANG Xiaodong，ZHU Lei.Kinematics analysis and three dimensional simulation of the rehabilitation lower extremity exoskeleton robot[J].The International Journal of Soft Computing and Software Engineering，2013，3(3):343-345. [7] 高东强，王伟.摆线钢球行星传动机构设计与仿真分析[J].陕西科技大学学报，2014，32(6):139-144.[8] LI Yanbei，YAN Lei，QIAN Hua，et al.Dynamics and kinematics analysis and simulation of lower extremity power-assisted exoskeleton[J].Journal of Vibroengineering，2014，16(2):781-791.[9] 夏田，桓茜，陈宇，等.人体下肢外骨骼康复机器人的仿真分析[J].陕西科技大学学报，2016，34(6):157-158.。

老年人康复辅助机器人系统设计与实现一、简介老年人康复辅助机器人系统（Robotic Rehabilitation System for Elderly People）是一种基于现代科技与康复治疗技术相结合的健康辅助系统。

该系统在康复治疗中，根据患者的病情，自动发送指令，控制机器人的动作并监控患者的身体反应，以帮助老年人恢复身体功能与代谢平衡。

本文将对老年人康复辅助机器人系统的设计及实现进行探讨。

二、功能需求1. 运动康复功能——用于康复患者的运动恢复与锻炼。

2. 动作指导及数据分析——根据康复医生提供的康复方案，为康复者提供动作指导和数据分析。

3. 健康监测——对患者的身体状况进行实时监测，记录患者身体数据变化。

三、系统设计老年人康复辅助机器人系统设计从功能性和可操作性两个方面出发：1. 功能性设计以康复患者为中心，针对患者在康复过程中所需的功能，设计功能模块，保证机器人系统实现以下功能：（1）电动滑轨——电动驱动的机器人底部，患者坐在电动滑轨上，可以在规定的区域内游动，方便患者运动。

（2）可调节臂支架——支撑患者的两臂，可以根据患者的身体状况和康复方案进行调整，保证患者康复运动的有效性。

（3）传感器组件——通过传感器组件，实时记录患者的身体运动状况，实现全方位监测。

（4）智能控制系统——依据患者康复方案，控制机器人动作，提供动作引导，以避免患者在运动时受伤。

（5）数据处理与分析模块——对患者进行身体数据的分析，以更好地了解患者的运动情况，提高康复效率。

2. 可操作性设计为保证老年人能够顺利操作机器人系统，我们要充分考虑到老年人的生理和心理状况，保证系统的易用性和稳定性：（1）机器人人性化设计——机器人外形符合人体工程学，让患者在操作中更加自然舒适。

（2）简单易用的操作界面——为了降低操作难度，我们将开发一套直观、易操作的界面，让年迈的患者能够快速上手，并享受操作带来的乐趣。

（3）人性化提示与帮助——凭借机器人中心智能控制系统与数据分析模块，我们将对用户的使用情况进行实时监测，为用户提供友好的提示和帮助，让他们在使用中得到最好的体验。

人体外骨骼设计与实现-手部助力结构摘要即使是在现代的科技背景之下，受限于资金少或场地小的原因，一些行业一些场合因依旧对人力有着旺盛的需求。

工人长时间高负荷的体力工作后，因疲劳的积累造成工作效率下降，工作事故的概率也会提高。

本课题将要设计研究无动力手部助力结构，帮助体力劳动的工人减轻手部负荷，从而保护身体提高效率。

它主要是由多个静平衡机构组合而成，并且还能调节助力的档位，使该手部助力结构有跟多更广的应用条件。

本次设计依靠探究静平衡成立条件，进而确定设计方案，对手部助力结构进行了针对性的设计和说明。

最后对部分零件进行验算校核，从而确保本次设计手部助力力结构的能满足实际的使用要求。

人体外骨骼设计与实现-手部助力结构关键词：助力结构，无动力外骨骼，静平衡原理，弹簧Design and implementation of human exoskeleton-hand-assistedstructureABSTRACTEven under the background of modern science and technology, due to limited capital or small space, some industries still have a strong demand for manpower in some occasions. After a long period of manual work with high load, the work efficiency is reduced due to the accumulation of fatigue, and the probability of work accidents will also increase.This topic is to design and study the unpowered hand-assisted structure to help manual workers reduce the load on the hands, thereby protecting the body and improving efficiency. The unpowered assisted exoskeleton not only has a reduction in volume and quality, but also has no energy consumption. It solves the long-term lack of endurance of the active power assisted exoskeleton, which is consistent with the green, low-carbon and energy sustainable Development concept.It is mainly composed of a plurality of static balance mechanisms, and can also adjust the power assist position, so that the hand assist structure has more and more application conditions. This design relies on exploring the conditions for the establishment of static balance, and then to determine the design plan, and carried out targeted design and description of the hand-assisted structure. Finally, some parts are checked and verified to ensure that the design of the hand-assisted structure of the hand can meet the actual use requirements.Key words:Boost structure, Unpowered exoskeleton, Static balance principle, spring目录摘要 (1)人体外骨骼设计与实现-手部助力结构............................................................................. 错误!未定义书签。

医疗康复机器人研究进展及趋势一、本文概述随着科技的快速发展和人口老龄化的加剧，医疗康复机器人技术在全球范围内受到了广泛关注。

这些机器人被设计成能够辅助或替代人类执行康复治疗任务，帮助患者恢复身体功能，提高生活质量。

本文旨在概述医疗康复机器人的研究进展，分析当前的技术趋势，并展望未来的发展方向。

本文将首先回顾医疗康复机器人的发展历程，从早期的简单辅助设备到如今的智能化、个性化机器人系统。

接着，我们将重点介绍几种典型的医疗康复机器人，包括上肢康复机器人、下肢康复机器人和多功能康复机器人等，并探讨它们在临床应用中的优势和挑战。

本文还将分析医疗康复机器人领域的关键技术，如机器人控制算法、传感器技术、人机交互技术等，并评估这些技术对机器人性能的影响。

我们将关注近年来在医疗康复机器人技术方面取得的重大突破，以及这些突破如何推动该领域的发展。

我们将展望医疗康复机器人的未来趋势，包括机器人智能化、个性化治疗方案的制定、远程康复治疗的普及等。

我们相信，随着技术的不断进步和创新，医疗康复机器人将在未来发挥更加重要的作用，为更多的患者带来福音。

二、医疗康复机器人的发展历史与现状医疗康复机器人的发展历程可追溯至上世纪60年代，当时主要集中在机械臂和假肢的设计与应用上。

随着科技的进步，尤其是计算机技术和生物医学工程的发展，医疗康复机器人逐渐实现了智能化、精准化和个性化。

进入21世纪后，医疗康复机器人迎来了快速发展的黄金时期，不仅在辅助患者康复训练方面取得了显著成效，还在手术辅助、远程医疗等领域展现出广阔的应用前景。

当前，医疗康复机器人已形成了多种类型，如上肢康复机器人、下肢康复机器人、全身康复机器人等。

这些机器人通过模拟人类康复师的动作，为患者提供精准、个性化的康复训练，有效促进患者运动功能的恢复。

同时，医疗康复机器人还具备实时监测、数据分析等功能，为医生制定康复计划提供科学依据。

然而，医疗康复机器人领域仍面临诸多挑战。

外骨骼技术在康复治疗中的应用研究随着科技的不断进步，外骨骼技术的应用也越来越广泛。

外骨骼技术是指将机器人技术应用到人体上，通过机器人设备为残疾人提供协助或治疗。

外骨骼技术可以帮助残疾人恢复行动能力和自理能力，是现代康复治疗中重要的一种技术。

一、外骨骼技术的基本原理外骨骼技术是一种机器人技术，它的基本原理是将机械臂和机械腿固定在残疾人的身上，帮助他们恢复行动能力。

外骨骼设备通常由动力学系统、运动控制系统、生物力学反馈系统等组成。

残疾人可以通过设备感受到外骨骼的运动，从而恢复行动能力。

二、外骨骼技术的应用场景外骨骼技术广泛应用于康复治疗、劳动保护等领域。

在康复治疗中，外骨骼技术主要应用于脊髓损伤、脑卒中、截肢等病症的康复治疗。

通过外骨骼设备的辅助帮助，病人能够在治疗过程中更快地恢复行动能力和自理能力。

在劳动保护中，外骨骼技术可用于减轻工人们的劳动强度，保护工人的身体健康。

三、外骨骼技术对康复治疗的作用和意义外骨骼技术在康复治疗中的作用和意义不言而喻。

它可以帮助残疾人恢复行动能力和自理能力，提高他们的生活质量。

同时，也可以减轻医护人员的负担，提高医疗效率。

外骨骼技术的应用让康复治疗更加科学化和技术化，也为残疾人提供了更好的康复治疗方式。

四、外骨骼技术应用中存在的问题和挑战外骨骼技术的应用中还存在着一些问题和挑战。

首先，设备的成本较高，很多残疾人无法承受。

其次，外骨骼技术还需要进一步完善和改进，使其更加普及和适用。

同时，外骨骼技术需要更多专业人才的支持和协作，才能更好地应用于康复治疗中。

五、结论外骨骼技术是现代康复治疗领域中不可或缺的一种技术。

它可以帮助残疾人恢复行动能力和自理能力，提高生活质量。

同时，也可以为医护人员提供更好的康复治疗方式。

虽然外骨骼技术应用中还存在着问题和挑战，但相信随着科技的不断发展，外骨骼技术会越来越普及和适用，为更多残疾人提供帮助。

外骨骼助力器的研究与应用1. 前言外骨骼助力器是一种新型辅助装备，它可以为残疾人或行动不便的人提供帮助，使之更加便捷地移动和进行运动。

外骨骼助力器研究和应用对于改善人类的生活质量、促进医学科技的发展具有重要意义。

本文将就外骨骼助力器的研究和应用进行深入探讨。

2. 外骨骼助力器的定义与分类外骨骼助力器是一种带有电动机、传感器、控制系统等电子元器件的骨骼外固定装置，通过对肌肉运动的识别和分析，控制装置的电机提供助力，协助人体完成运动。

外骨骼助力器依据不同的运动类型、应用场景可以分为步行助力型、上肢助力型、康复训练型、体育比赛型等多个类型。

3. 外骨骼助力器的研究现状外骨骼助力器从概念提出到现在已经经过了数十年的时间，这个领域的研究也非常成熟。

目前国内外几乎所有大型公司和机构都在该领域展开了研究，包括康复科研机构、高等院校等。

在国内，北大、清华、复旦等多所著名大学都开展了外骨骼助力器的研究，成果也较为丰硕。

在国外，美国、日本、德国等国家也是外骨骼助力器研究的先行者。

4. 外骨骼助力器的应用场景4.1 康复训练外骨骼助力器在康复训练中得到了广泛应用，适用于各种康复疾病和创伤的恢复阶段，包括脊髓损伤、脑损伤、中风等。

外骨骼助力器为患者提供了全新的实现肢体活动的方式，可以增加患者康复训练的趣味性和成效。

4.2 残疾人帮助外骨骼助力器对于残疾人的帮助是巨大的，包括自闭症儿童、下肢残疾人、截肢者等人群。

外骨骼助力器的出现改善了残疾人的生活质量，可以协助残疾人更加便捷地行走、工作和学习。

4.3 工业生产外骨骼助力器还可以被应用于工业生产领域，协助工人完成一些危险、辛劳、重复性劳动，提高工作效率，降低劳动强度。

5. 外骨骼助力器的优势和挑战5.1 优势外骨骼助力器可以协助人们完成一些较为高强度、高风险的活动，有效提升了工作效率和生活质量。

同时，外骨骼助力器也可减少康复时间和成本，而且方便携带。

5.2 挑战目前外骨骼助力器的成本偏高，同时外骨骼助力器使用也需要一定的培训和适应期。

六自由度外骨骼式上肢康复机器人设计一、概述随着现代医疗技术的不断进步，康复机器人已成为辅助患者恢复肢体功能的重要工具。

六自由度外骨骼式上肢康复机器人作为一种先进的康复设备，旨在通过模拟人体上肢运动，帮助患者实现精准、高效的康复训练。

本文将对六自由度外骨骼式上肢康复机器人的设计进行详细介绍，包括其结构组成、工作原理、控制策略以及临床应用等方面的内容。

六自由度外骨骼式上肢康复机器人是一种可穿戴式的康复设备，能够紧密贴合患者上肢，通过精确控制各关节的运动，实现上肢的全方位康复训练。

该机器人具有六个自由度，可模拟人体上肢的各种复杂运动，为患者提供个性化的康复训练方案。

机器人还配备了智能传感系统，能够实时监测患者的运动状态，为医生提供精准的康复数据，从而优化康复治疗方案。

在结构组成方面，六自由度外骨骼式上肢康复机器人主要包括机械臂、驱动系统、传感系统以及控制系统等部分。

机械臂采用轻质材料制成，具有良好的穿戴舒适性和运动灵活性；驱动系统采用高精度电机，可实现精确、快速的运动控制；传感系统包括多个角度传感器和力传感器，能够实时监测机械臂和患者上肢的运动状态和交互力；控制系统则负责整合传感数据，实现机器人的运动规划和控制。

六自由度外骨骼式上肢康复机器人作为一种先进的康复设备，具有广泛的应用前景和市场需求。

本文旨在通过对该机器人设计的详细介绍，为相关领域的研究人员和技术人员提供参考和借鉴，推动康复机器人技术的不断发展和创新。

1. 上肢康复机器人的研究背景与意义随着人口老龄化的加剧以及各类事故、疾病对人们身体健康的威胁日益显著，上肢功能障碍患者数量呈现出逐年上升的趋势。

这些障碍往往由中风、外伤、神经系统疾病等多种原因引起，严重影响了患者的日常生活和工作能力，给个人、家庭和社会带来了沉重的负担。

寻求一种高效、安全的上肢康复治疗方法显得尤为重要。

在此背景下，上肢康复机器人的研究与应用应运而生，成为了医疗康复领域的重要发展方向。

外骨骼机器人系统设计与实现随着科技的发展，人类对于机器人的依赖和需求越来越大。

在医疗和智能制造等领域，机器人已经得到广泛应用。

而外骨骼机器人，则是机器人技术中一个新兴发展的领域。

外骨骼机器人是一种可以穿戴在身上的设备，用于增强和支持人体运动的机器人。

它在医疗、军事、物流等领域有着广泛的应用前景。

如日本实验外骨骼机器人在民用领域的应用情况已经有很多报道。

比如，移动式作业机械的操作、为劳动力不足的农地提供人力支援、以及救援等应用场景。

那么，在设计和实现一台外骨骼机器人时，我们需要考虑哪些关键因素呢？1. 功能设计首先，我们需要确定外骨骼机器人的功能。

比如，是用于助力行走、支撑下肢运动、还是其他功能。

需根据应用场景和需求来确定机器人的功能。

2. 结构设计结构设计需要考虑机器人的形态和体积，使其在穿戴时方便、舒适且稳定。

另外，结构设计也包括机器人的力学结构和操作系统设计，这些都是外骨骼机器人功能实现的关键。

3. 传感器设计外骨骼机器人需要搭载传感器，用于检测和感知用户的动作和姿态信息。

通过传感器和用户间的数据交互，实现机器人的动作精准控制和匹配。

4. 动力需求机器人需要能够提供足够的动力支撑，才能完成相应的功能。

外骨骼机器人通常由一台电机驱动，需确保动力系统的稳定和可靠。

5. 软件控制外骨骼机器人的软件控制是实现其运动、反馈和相应操作的关键。

软件控制应具有快速、准确、可靠的特征。

以上是外骨骼机器人系统设计中关键的几个方面。

当然，在实现过程中还需要考虑其他问题，例如机器人在实际应用中的适应性和性能等。

现今，外骨骼机器人的应用场景非常广泛。

在未来，外骨骼机器人的发展前景也将越来越好。

因为它解决了人体的某些不便以及对身体的强壮和支持的需求，有着广泛的市场和发展前景。

外骨骼式老年人辅助行走装置设计研究
糜思尧
【期刊名称】《工业设计》
【年(卷),期】2016(000)006
【摘要】随着二十一世纪的到来，我国进入了人口老龄化社会。

因此，老年人的身心健康受到了人们的广泛关注。

外骨骼技术作为一种新型的技术被应用到老年人辅助行走装置中，提高了老年人下肢的运动能力，为老年人的身体健康做出了巨大的贡献。

本文笔者通过分析人体下肢行走机理以及外骨骼式老年人辅助行走装置的现状来探讨外骨骼式老年人辅助行走装置的设计以及控制方法。

【总页数】2页(P109-109,111)
【作者】糜思尧
【作者单位】四川美术学院设计艺术学院，重庆，401331
【正文语种】中文
【相关文献】
1.外骨骼式上肢康复机器人力辅助控制 [J], 李庆玲;叶腾茂;杜志江;孙立宁;王东岩
2.智能模块式辅助老人行走外骨骼结构设计 [J], 李冠男; 王红; 曾尚鹏
3.穿戴式下肢复健辅助行走装置结构优化设计 [J], 陈虹宇
4.老年人辅助起立设备的设计研究 [J], 王莉莉; 董梦锦
5.基于老年人站立分析的辅助站立机构优化设计研究 [J], 雷铭达;徐汉斌
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《可穿戴式膝关节力反馈外骨骼助力系统研究》篇一一、引言随着科技的飞速发展，可穿戴式设备已成为当前研究的热点。

其中，可穿戴式膝关节力反馈外骨骼助力系统作为一种新兴的技术手段，被广泛应用于康复训练、助力行走等多个领域。

该系统以智能传感技术和力反馈技术为基础，能对人的行走状态和姿态进行有效感知与调节，帮助个体克服关节功能障碍等问题。

因此，本研究致力于探究这一系统的工作原理及其实际应用效果，旨在为人类提供更为便利、有效的助力方式。

二、可穿戴式膝关节力反馈外骨骼助力系统的原理可穿戴式膝关节力反馈外骨骼助力系统主要包含以下几个部分：传感器模块、控制系统模块、力反馈模块以及外骨骼执行模块。

传感器模块负责感知人体运动状态和关节角度等数据；控制系统模块根据传感器数据，对外骨骼执行模块进行控制；力反馈模块则通过提供力反馈信号，使人体感受到关节的运动状态。

（一）传感器模块传感器模块是整个系统的关键部分，通过多种传感器对人体的运动状态进行实时监测。

包括加速度传感器、角速度传感器、压力传感器等，能够捕捉到人体的步态信息、关节角度变化等关键数据。

（二）控制系统模块控制系统模块采用先进的控制算法，根据传感器模块采集的数据，对外骨骼执行模块进行控制。

该模块能够实现实时调节、智能判断等功能，使外骨骼助力系统能够根据个体的实际情况进行自适应调整。

（三）力反馈模块力反馈模块通过振动、触觉等方式，将关节的运动状态反馈给个体。

这种反馈方式能够帮助个体更好地感知到关节的运动状态，从而实现对关节的有效调节。

（四）外骨骼执行模块外骨骼执行模块是整个系统的动力部分，负责实现助力行走等任务。

通过驱动器的控制，能够使外骨骼实现准确的动作和位置控制。

三、实际应用效果研究本研究采用多种实验方法对可穿戴式膝关节力反馈外骨骼助力系统的实际应用效果进行研究。

实验结果表明，该系统在康复训练、助力行走等方面具有显著的效果。

（一）康复训练应用在康复训练中，该系统能够帮助患者克服关节功能障碍等问题，提高患者的运动能力和生活质量。