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机械手-人体下肢外骨骼康复机器人设计-说明书摘要康复机器人技术则是近年来迅速发展的一门新兴机器人技术,是机器人技术在医学领域的新应用;目前康复机器人已成为国际社会研究的热点之一。
本课题主要研究的下肢外骨骼康复机器人的设计。
本文介绍了下肢康复机器人国内外发展现状和应用情况,进行了下肢外骨骼康复机器人的总体方案设计、结构设计,和总体控制方案设计,并对重要零件进行校核。
本设计下肢外骨骼康复机器人共有5个自由度,其中每一条机械腿上有2个关节(2个自由度)模仿人体腿上的膝关节、髋关节和一个用于减重的减重系统(包括1个自由度)。
此系统能用于脑损伤、中风等病人的步态康复训练,帮助病人更好地进行康复训练,减轻他人的帮助,提高效果。
关键词:康复训练,机器人,下肢外骨骼ABSTRACTThe rehabilitation robot technology is a new robot technology developed rapidly recently, which is a new application in medical fields of robot technology. Currently the research on rehabilitation robot has been one of the focuses in the International Society. The rehabilitation robot technology is a synthesis of many subjects, which covers mechanics, electronics, control and rehabilitative medicine and so on; it has been a typical representation of the mechatronics research. The main researchof this paper is based on the attitude control gait rehabilitation training system design.In this paper, lower extremity rehabilitation and development of robot applications at home and abroad, lower extremity exoskeleton training robot's overall program design, structural design, design and overall control; gait training on the robot for three-dimensional modeling, and important parts to check. The robot gait training has a total of five degrees of freedom, each of which a mechanical leg joints have two 2 DOF to imitate human knee, hip and a weight relief for weight relief system including a degree of freedom. The system can be used for brain injury, stroke, and to help patients better rehabilitation training, and meets the needs of different groups of peopleKey words:rehabilitation training, robot, lower extremity exoskeletons目录1 绪论1.1 概述1.2 康复机器人的国内外研究现状1.3 本课题主要研究内容1.4 本章小结2 总体方案选择与论证2.1 步态分析2.2 方案的选择2.2.1 自由度的选择2.2.2 基本参数的选取2.2.3 驱动器的选择2.2.4关节结构的选择2.2.5连杆结构的选择2.2.6腰部结构设计2.2.7减重机构设计2.2.8整体结构设计2.3 本章小结3 机械结构的设计与计算3.1 人体参数3.2 各关节运动分析3.2.1 膝关节的运动分析3.2.2髋关节的运动分析3.3 关节力矩分析3.4 具体结构设计3.4.1 关节机构的选择3.4.2 连杆机构的选择3.4.3 腰部结构设计3.4.4减重机构3.4.5整体结构设计3.5 部分重要零件的设计与校核3.5.1轴承的选择及校核3.5.2连杆的计算及校核3.5.3双头螺柱的校核3.6 本章小结4 驱动部件的计算与选型4.1 滚珠丝杠螺母副的计算与选型 4.1.1髋关节滚珠丝杠副的计算与选型4.1.2膝关节滚珠丝杠副的计算与选型4.2 直流伺服电机的计算与选型 4.2.1髋关节直流伺服电机的计算与选型4.2.2膝关节直流伺服电机的计算与选型4.3 同步带的计算与选型4.3.1髋关节同步带的计算与选型4.3.2膝关节同步带的计算与选型4.4 本章小结5 控制系统的设计5.1 控制系统的方案选取5.2 控制系统的设计5.2.1电源配置设计5.2.2常用存储器及扩展电路设5.2.3数据存储器的设计5.2.4 D/A转换器接口电路设计5.2.5译码器的设计5.2.6上位机的连接设计5.3 控制流程的设计5.4 本章小结6 结论7 参考文献8 致谢1 绪论据报道,我国60岁以上的老年人已有1.43亿,占全国人口的11%,到2050年将达到4.37亿。
国内外外骨骼机器人发展现状如下：国内发展情况：技术水平：国内外的外骨骼机器人技术都还处于不断发展和完善阶段。
国内的一些企业和科研机构已经开始在技术上取得了一些突破，如感知控制技术、人机交互技术等。
这些技术的应用使得外骨骼机器人在人机融合、智能控制等方面得到了更好的发展。
政策支持：国内政府对外骨骼机器人的发展给予了越来越多的政策支持，鼓励企业加大研发投入，加强技术创新，推动外骨骼机器人在医疗、康复、工业等领域的应用。
应用领域：国内的外骨骼机器人主要应用在医疗康复领域，如帮助截瘫患者恢复行走能力、辅助老年人行走等。
此外，在军事领域和工业领域，也有一些外骨骼机器人的应用案例。
国外发展情况：技术水平：国外在外骨骼机器人技术方面的发展相对更为成熟，一些国际知名企业和研究机构在技术上处于领先地位。
例如，美国洛克希德·马丁公司的外骨骼机器人已经应用于军事领域，帮助士兵提高负重能力和行走速度。
应用领域：国外外骨骼机器人的应用领域也相对更广泛，除了医疗、军事领域外，还在工业、救援等领域得到广泛应用。
例如，在工业领域，外骨骼机器人被用于提高工人作业能力和降低劳动强度；在救援领域，外骨骼机器人被用于帮助救援人员搬运重物和拯救生命。
投资和研发：国外外骨骼机器人的研发和投资力度相对较大，许多知名企业都将外骨骼机器人作为重点发展领域之一，投入大量资金和人力资源进行研发。
同时，国外的一些风险投资机构也对外骨骼机器人领域的初创企业进行投资，支持其技术创新和市场推广。
总的来说，国内外外骨骼机器人的发展都还处于不断发展和完善阶段，但国内外的技术水平和应用领域略有不同。
国内外的政策支持、投资和研发都在不断加强，为外骨骼机器人的进一步发展提供了有力保障。
单兵外骨骼装备技术简介作者：葛水平杨陈君陈耀凯来源：《中国新技术新产品》2016年第14期摘要：当前世界上很多国家，为了应对不断变化的军事变革，都在大力提升自己的单兵作战能力，而这就要依托于先进的武器装备，使得士兵的负重也大大增加，增大了作战难度。
而外骨骼装备的出现及应用将改变这种局面。
它不但可以增强士兵的负重能力，是一个非常不错的武器搭载平台，同时可以提升士兵的机动性和防御能力。
因此外骨骼技术作为一项前沿科技，势必在未来战场上起到很大的作用，具有十分广阔的应用前景。
关键词：单兵系统；外骨骼；应用前景中图分类号：TP311 文献标识码：A一、外骨骼技术介绍外骨骼（Exoskeleton）这一名词，来源于生物学昆虫和壳类动物的坚硬外壳，它是一种能够提供对生物柔软内部器官进行构型，建筑和保护的坚硬的外部结构。
人体外骨骼系统是一个穿戴在操作者身体外部的：“机器人”他能对穿戴者提供支撑保护的同时还可以为人体提供额外的动力和感知能力，可以大大地增加人体机能。
外骨骼技术是人体与机器的完美融合，穿戴者和外骨骼成为了一个闭环的协同系统。
机器通过多种传感器实时感知穿戴者的运动状态和运动意图，并进行实时分析，快速做出反应，以实现人机多自由度、多运动状态的运动辅助，并对穿戴者的行为运动进行放大，提升人体机能。
（一）单兵外骨骼技术的研究背景未来战争，越来越趋近小型化、特种化，所以单兵作战能力就显得越来越重要，战场上要求士兵拥有超强的作战能力及侦查能力，但是有时候受到地形、负重等因素的限制，人体机能的极限已经无法适应瞬息万变的战场情况。
在这种情况下，能够提高士兵身体机能的外骨骼装备就成为解决这个问题的最好方案。
（二）国内外研究现状目前，大多数国家对于外骨骼的研究都还属于初步阶段，比较先进的有美国和日本。
而我国对外骨骼领域的探索比较晚，但随着外骨骼机器人在社会上的需求量不断增大，我国也在这个领域投入了比较大的研究力量，也取得了一些成果。
外骨骼机器人控制原理与设计嘿，朋友们！今天咱就来唠唠外骨骼机器人控制原理与设计这档子事儿。
你说这外骨骼机器人啊，就像是给人穿上了一套超级装备！它能帮咱干好多事儿呢，就像给咱加了一股神奇的力量。
咱先说说这控制原理哈。
你可以把它想象成是大脑指挥身体行动一样。
外骨骼机器人也有自己的一套“大脑”系统，能感知人的动作和意图，然后迅速做出反应，配合人一起行动。
这就好比你和一个特别默契的伙伴一起做事儿，你一个眼神，它就知道你要干啥。
那这“大脑”是咋工作的呢？这里面可就有好多门道啦！有各种传感器，就像人的眼睛、耳朵一样，能收集各种信息，然后通过复杂的电路和算法，转化成机器人能懂的语言。
这是不是很神奇？就好像它能听懂咱的心里话似的。
再说说这设计。
那可得精心雕琢啊！要考虑人的身体结构、活动范围，还得让机器人穿起来舒服，不能太笨重。
这就跟咱买衣服一样，得合身、得好看、还得穿着舒服。
要是设计得不好，那可就成了累赘啦！你想想，要是外骨骼机器人设计得不合理，要么这儿卡一下，要么那儿磨得慌，那还咋用啊？所以设计师们可得下大功夫，把每个细节都考虑到。
而且啊，这外骨骼机器人的应用那可广了去了。
在医疗领域，能帮助那些行动不便的人重新站起来，走起来，这多了不起啊！在工业领域，工人可以借助它干重活，减轻身体负担，这不是挺好的嘛！咱中国在这方面也发展得很不错呢！科研人员们不断努力，让我们的外骨骼机器人越来越先进。
这就像我们的高铁一样，从无到有，从落后到领先，多让人自豪啊！这不就是科技的魅力吗？它能让我们的生活变得更加美好，能帮我们做到以前想都不敢想的事情。
所以啊，大家可别小瞧了这外骨骼机器人，它的未来可不可限量呢！咱就等着看它给我们带来更多的惊喜吧！这可不是我在吹牛，不信你就等着瞧！。
机器人外骨骼技术的研究与应用前景外骨骼（Exoskeleton）是一种运动辅助装置，由于其能够提高人类的体力和耐力，所以受到了广泛的关注和应用。
如果再将机器人技术与外骨骼技术相结合，就可以形成人体巨大能量的辅助外骨骼（Human Assistive Exoskeleton），即机器人外骨骼技术。
随着科学技术的进步和人们对健康生活的追求，机器人外骨骼技术正逐渐成为未来的研究与应用的热点领域。
一、机器人外骨骼技术研究现状机器人外骨骼技术的研究起源于20世纪60年代，当时主要用于军事领域。
1971年，美国的诺斯罗普公司（Northrop Grumman）研制出了全世界第一套外骨骼系统。
该系统主要用于军事方面，通过增强膝关节的力量以及帮助士兵携带沉重的负载，提高了士兵的作战能力。
近年来，机器人外骨骼技术的应用范围不断扩大，尤其是在医疗保健领域和康复治疗方面，机器人外骨骼技术显示出了巨大的潜力。
在这个领域，美国、日本和韩国等国家的科学家已经取得了一系列的研究成果。
二、机器人外骨骼技术的应用前景1. 康复领域应用机器人外骨骼技术在康复领域中的应用主要是指对肢体功能障碍患者的治疗和康复辅助。
依靠机器人外骨骼技术的力量，可以帮助康复患者进行辅助性运动，以达到肢体康复的目的。
另外，机器人外骨骼技术还可以通过陪伴康复患者做运动活动，提供心理支持，有利于患者恢复自信。
2. 重体力工作环境应用现代制造业中许多工人工作量非常大且非常危险。
机器人外骨骼技术能够替代人工完成重体力劳动，特别是在制造业和工业生产领域，通过使用机器人外骨骼技术可以大大地减少工人的伤害率和经济成本，同时也会提高劳动生产率和质量。
3. 老年人护理应用机器人外骨骼技术对于老年人来说，可以帮助他们完成一些日常活动。
例如，可以用手臂机器人来帮助老年人协助起床、穿衣、洗漱等，还可以用腿部机器人来帮助他们走路、上下楼梯等。
这样的应用将有助于解决日益加剧的老龄化问题，并且可以有效地减少护理成本。
一种下肢外骨骼机器人的控制方法技术领域本发明涉及辅助机器人技术领域，具体涉及一种可穿戴助行下肢外骨骼的控制方法。
背景技术进入21世纪，中国人口老龄化逐渐加剧，据预测，到2050年，中国老龄人口将达到总人口的三分之一。
膝关节炎症则是老年人关节疾病中最主要的一种情况，据统计，60岁以上的老年人中10％的男性和13％的女性都患有关节炎的症状。
关节炎带来的膝关节疼痛严重影响患者的行走能力，给老年人的自由出行带来了很多困难。
为分担膝关节承受的重量并对行走过程进行助力，下肢外骨骼是一种很有应用前景的解决办法。
下肢外骨骼一般分为有动力和无动力两种形式，它与穿戴者进行协同动作，感知穿戴者运动意图，并为其特定关节提供辅助力矩，从而对穿戴者的运动能力进行增强。
动力外骨骼一般需要额外的能量源为其作动器提供能量输入，而无动力外骨骼往往采用能量回收的方式，将人体运动过程中的能量通过机构弹性或特制的储能元件进行储存，并按需求进行释放。
用于老年人等行动能力较弱者的下肢助行外骨骼一般采用蓄电池方案，如日本Cyberdine公司的HAL，以及Honda公司发布的名为体重支撑系统的外骨骼等。
受限于电池的能量密度和电机的能量转化效率，这类外骨骼一般需要配备比较大的关节驱动电机和笨重的蓄电池，整机重量往往会大于10kg。
进一步提高下肢外骨骼的实用性能，需要对动力模块进行优化，降低其能量消耗，通过轻量化设计方法提高整机效率。
目前已问世的下肢外骨骼受限于驱动器效率、机构重量以及成本等因素，往往无法兼顾助力效果与结构上的轻便，额外的负重会给使用者造成负担，难以适应老年人等行动能力较弱者的日常行动需求。
同时也迫切需要一种下肢外骨骼的控制方法，来考虑结合动力外骨骼和无动力外骨骼的特点，以能量回收和重复利用的装置对驱动电机进行辅助的峰值输出，可以减小进行膝关节助力对电机功率的要求，使电机输出曲线更加平滑，进而可以选择更小的驱动电机，从驱动器和电源角度减小外骨骼整机重量。
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。
