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肢体康复机器人的设计与控制
一、背景
随着人工智能技术的发展，机器人的使用越来越普遍，其功能也越来
越强大，不仅局限于工业领域，也越来越深入到其他领域，如医疗、教育、娱乐等领域。
因此，设计和控制一种机器人，使其能够帮助身体残疾的人
员进行肢体康复，已成为重要研究课题。
二、设计原理
肢体康复机器人首先要解决的问题是如何驱动、控制机器人的运动，
主要有两种方式：一种是使用气动活塞，另一种是电机控制。
除了新的设
计之外，还可以使用已有的运动控制单元，如Arduino， Raspberry Pi，以及其他相关模块。
此外，为了实现有效的控制，还需要实现必要的感知和通信功能。
本
文探讨的方案使用机器视觉，其基本原理是使用相机获取图像，利用图像
处理和机器学习算法，模拟人类眼睛的效果，从而实现对机器人运动的实
时跟踪和控制。
此外，通信方面，目前研究的方案主要基于蓝牙技术，可实现机器人
与人的实时交互，从而实现肢体康复机器人的有效控制。
三、设备架构
设备架构包括机器人本体部分、气动活塞控制部分和电路控制部分。
机器人本体部分，包括机器人的外壳，机器人的各个部件，以及与机
器人设备相关的支撑结构。
《下肢外骨骼康复机器人的人机交互控制系统设计与实现》一、引言随着医疗科技和机器人技术的飞速发展，下肢外骨骼康复机器人成为了康复医学领域的研究热点。
该类机器人通过模拟正常人体运动模式，协助患者进行康复训练，从而改善其行动能力。
其中，人机交互控制系统的设计与实现是影响康复效果和用户体验的关键因素。
本文将探讨下肢外骨骼康复机器人的人机交互控制系统的设计思路与实现方法。
二、系统设计目标1. 提供精确的力矩控制，以模拟人体自然运动；2. 增强患者与机器之间的交互体验，确保安全与舒适；3. 具备可定制的康复训练模式，满足不同患者的需求；4. 实时监测患者状态，并根据反馈调整康复策略。
三、系统设计原则1. 安全性：确保系统运行过程中患者安全无虞；2. 舒适性：系统应贴合人体工学设计，确保患者使用舒适；3. 智能化：通过算法优化，实现智能化的运动模式调整和康复策略制定；4. 可扩展性：系统设计应具备可扩展性，方便未来功能的增加和升级。
四、硬件结构设计硬件结构包括外骨骼机械结构、传感器系统和驱动系统。
外骨骼机械结构应与人体下肢紧密贴合，保证运动的一致性。
传感器系统包括力矩传感器、位置传感器和压力传感器等，用于实时监测患者的生理数据和机器的运动状态。
驱动系统则负责驱动外骨骼机械结构进行运动。
五、软件控制系统设计软件控制系统是整个系统的核心，包括控制算法、交互界面和数据处理模块。
控制算法负责根据传感器数据调整机器的运动模式，实现人机协同。
交互界面则提供友好的操作体验，方便患者和医护人员操作。
数据处理模块负责收集和分析患者数据，为康复策略的制定提供依据。
六、人机交互实现人机交互实现主要依赖于传感器数据的获取和处理、控制算法的优化以及交互界面的设计。
通过力矩传感器、位置传感器等获取患者的生理数据和机器的运动状态，经过数据处理模块的分析和处理，得出控制指令，通过控制算法调整机器的运动模式，实现人机协同。
同时，交互界面的设计应考虑患者的使用习惯和需求，提供友好的操作体验。
机器人辅助康复系统设计与实现近年来，随着人口老龄化程度的加剧，康复需求也越来越大。
为了更好地满足康复患者的需求，机器人辅助康复系统应运而生。
本文将重点探讨机器人辅助康复系统的设计与实现，以提供更好的康复服务。
1. 系统设计与功能需求机器人辅助康复系统应具备以下功能需求：1.1 运动辅助功能：机器人能够模拟人类的运动，通过可编程控制器设定运动轨迹和力量。
康复患者可以在机器人的帮助下进行运动训练，提高肢体协调性和力量。
1.2 功能创新：机器人辅助康复系统应该具备创新的康复功能，如虚拟现实技术和游戏化康复训练等。
通过虚拟现实技术，患者可以沉浸在不同的康复环境中，增加训练的趣味性和参与度。
1.3 数据收集与分析：机器人辅助康复系统应该能够收集康复过程中的数据，包括患者的运动数据、心率数据等。
通过数据分析，康复师和医生可以获得更多关于患者康复进展的信息，以便进行个性化的康复计划。
2. 系统实现的技术要求为了满足以上功能需求，机器人辅助康复系统需要采用一些先进的技术：2.1 传感器技术：通过使用传感器，机器人可以感知康复患者的运动状况和身体反馈。
传感器可以测量肌肉收缩情况、关节运动范围等数据，从而实现实时的反馈和调整。
2.2 人机交互技术：机器人辅助康复系统还需要采用先进的人机交互技术，以提供用户友好的操作界面。
用户可以通过触摸屏幕、语音识别等方式与机器人进行交互，完成康复训练的设置和进度跟踪。
2.3 数据处理与机器学习技术：机器人辅助康复系统需要具备数据处理和机器学习的能力，以支持康复数据的收集和分析。
通过机器学习算法的应用，系统可以根据患者的康复数据进行自适应的调整，达到个性化康复的效果。
3. 系统实施与效果评估在实施机器人辅助康复系统时，需要注意以下几点：3.1 专业团队的参与：系统的设计与实现需要涉及医生、康复师、工程师等多个领域的专业知识。
在实施过程中，需要建立跨学科的团队合作，共同解决康复系统的技术、操作和管理问题。
机器人辅助康复治疗与训练系统设计近年来，康复治疗与训练在医学领域中得到了广泛应用。
为了提高治疗效果和提供更好的康复训练资源，研发一套机器人辅助康复治疗与训练系统成为了大家关注的焦点。
本文将从系统设计的角度探讨该系统的目标、功能、设计原则，并介绍其中涉及的核心技术和关键组件。
1. 系统目标机器人辅助康复治疗与训练系统的目标是帮助康复患者恢复和改善受损的身体功能，提高生活质量。
系统应该能够为患者提供个性化、全面的康复治疗和训练方案，并通过记录和分析数据来评估治疗进展。
2. 功能需求（1）运动辅助功能：系统应该能够通过机器人运动装置辅助患者进行康复运动，提供适当的力量支持和运动轨迹控制。
同时，系统还应该能够记录患者运动数据，以便后续的分析和评估。
（2）交互界面：系统应该提供友好的交互界面，使患者能够轻松使用。
交互界面应该包括简洁明了的操作指南和反馈信息。
（3）个性化康复方案：系统应该根据患者的特定康复需求和身体状况，为其制定个性化的康复治疗和训练计划。
该计划应该包括具体的运动目标、频率、持续时间和难度等信息，并能根据患者的进展进行调整。
（4）进展评估与反馈：系统应该能够通过数据分析和算法，对患者的运动进展进行评估，并提供及时的反馈。
评估结果应该能够量化患者的康复程度，并据此调整康复方案。
3. 设计原则（1）安全性：系统设计应该注重患者的安全。
机器人运动装置需要具备安全保护措施，避免对患者造成伤害。
此外，交互界面和操作流程也应该简单明了，避免患者因误操作而导致意外伤害。
（2）可定制性：系统应该具备一定的可定制性，以适应不同患者的康复需求。
康复方案应该根据患者的病情、病史和身体状况进行个性化调整，并能根据患者的康复进展进行动态调整。
（3）数据存储与分析：系统应该能够记录和存储患者的运动数据，并结合数据分析算法，对患者的康复进展进行评估。
这样可以根据评估结果调整康复方案，提高治疗效果。
4. 核心技术和关键组件（1）机器人运动装置：机器人运动装置是系统的核心组件之一，它可以为患者提供力量支持和运动轨迹控制。
单腿多自由度下肢康复机器人设计一、运动学模型建立为了实现单腿康复的需求，通过对人体运动学原理的研究，设计出了一种具有六自由度的康复机器人。
这六个自由度分别是足跟沉、髋屈伸、髋外展内收、膝关节屈伸、足踝关节内外翻和足踝关节背屈。
通过建立运动学仿真模型，可以为机器人的设计提供准确的运动学参数。
仿真结果表明，六自由度机器人可以达到足够高度，能够完整地完成人类正常下肢的自由度范围。
二、机械结构设计机器人主体结构设计分为机械臂和基座两部分。
为了满足机器人的高强度、高刚度和重复性需求，机械臂采用铝合金结构，并使用齿轮传动系统以保证运动的准确性和平稳性。
同时，机器人的基座采用自由度底座设计，可以确保机器人在运动时的稳定性。
基座的设计还要考虑到减少视觉干扰以及方便患者上下机器人。
三、电控设计机器人的电控系统由运动控制系统和力矩控制系统组成。
其中，运动控制系统负责控制机器人的六个自由度，力矩控制系统则可以实时获取关节的力矩信号，进一步实现对患者运动的实时监测和调整。
电机控制系统采用PLC编程实现，可以灵活控制机器人的运动、速度和力矩。
同时，机器人还配备了感应式开关和皮带系统，可以确保患者在运动时不会受到危险因素的影响。
四、软件设计软件设计主要包括运动控制、力矩控制和用户界面设计。
为了保证机器人的运动精度和速度，控制算法采用PID控制器和Kalman滤波器。
力矩控制算法采用预测控制算法，可以实现对患者运动的实时监测和调整。
用户界面设计要简洁清晰，方便患者进行操作和调整。
用户界面可以在触摸屏上显示机器人的运动状态和运动参数，并提供互动界面以便于患者和治疗师对机器人运动行为进行监测和调整。
总之，单腿多自由度下肢康复机器人是一种适合患者进行康复训练的机器人。
通过运动学模型，机械结构、电控设计和软件设计的综合优化，可以完美地模拟人类下肢运动，从而有效地帮助康复患者恢复肌肉和关节功能。
第1章绪论全套完整版19张CAD图纸，联系1538937061.1 概述据报道，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。
在老龄人群众中有大量的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]。
近年由于患心脑血管疾病使中老年患者出现偏瘫的人数不断增多，而且在年龄上呈现年轻化趋势。
与此同时，由于交通运输工具的迅速增长，因交通事故而造成神经心痛损伤或者肢体损伤的人数也越来越多。
在我国数以百万计的有神经科疾病病史和受到过意外伤害的患者需要进行康复治疗，仅以中风为例，每年大约有600，000中风幸存者，其中的二百万病人在中风后存在长期的运动障碍。
随着国民经济的发展，这个特殊群体已得到了更多人的关注，为了提高他们的生活质量，治疗、康复和服务于他们的产品的技术和质量也在相应地提高。
随着机器人技术和康复医学的发展，在欧洲、美国和日本等国家，医疗康复机器人的市场占有率呈逐年上升的趋势，仅预测日本未来机器人市场，2005年医疗、护理、康复机器人的市场份额约为250，000美元，而到2010年将上升到1，050，000美元，其增长率在机器人的所有应用领域中占据首位。
因此，服务于四肢的康复设备的研究和应用有着广阔的发展前景[2]。
康复机器人是康复设备的一种类型。
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的普遍重视，其中以欧美和日本的成果最为显著。
在我国康复医学工程虽然得到了普遍的重视，而康复机器人研究仍处于起步阶段，一些简单康复器械远远不能满足市场对智能化、人机工程化的康复机器人的需求，有待进一步的研究和发展。
由于康复训练机器人要与人体直接相连，来带动肢体进行康复训练，所以对驱动器的安全性、柔性的要求较高。
康复肢体运动功能用机械肢体组合系列机器人,是多种同类机器人属于机器人领域,解决了本人发明的实用新型专利半身不遂患者康复学步机,只能带动人的大小臂大小腿康复运动功能,而不能带动手脚各关节运动的重大不足,主要技术特征是将半身不遂患者康复学步机略加改进后,在学步机的小臂绞链杆上安装了可以带动人手腕关节手指各个关节都能运动的机械手托板,在小腿铰链杆上安装了可以带动人脚踝脚指各个关节都能运动的机械脚托板后实现的,用途是康复肢体运动功能,带动患肢的各个关节、每块骨骼、每块肌肉、每个筋键、每条神经都在作患者万分渴望而大脑又支配不了的动作,通过较长时间的被动运动锻炼,最终使残疾人患肢的主动运动功能得到康复。
第1章绪论概述康复机器人是近年出现的一种新型机器人，它的主要作用有两方面，一是帮助由于疾病而造成偏瘫，或者因意外伤害造成肢体运动障碍的人恢复提高运动能力，称为康复训练机器人是作为一种辅助装置代替失去运动能力的肢体完成一部分动作，称为机器人假肢。
康复机器人作一种自动化设备，可以帮助患者进行科学而又有效的康复训练，使患者的运动机能得到更好的恢复。
康复机器人由计算机控制，并配有相应的传感器和安全系统，可以自动廉价康复训练效果，根据病人的实际情况自动调节运动参数，实现最佳训练。
康复机器人在原理上和工业机器有很大的区别，它也不限于一般的体育运动训练器材。
它直接作用于人体，与人在同一个作业空间工作，人与机器人作为一个整体而协调运动。
康复机器人成果包括以下三方面技术：手部康复训练机器人：手及腕部康复训练。
手臂康复训练机器人：手臂康复训练。
下肢康复训练机器人：行走功康复训练。
康复机器人技术得以传化为产品对于提高患者康复质量，减少患者的病痛，减轻社会负担具有重要的实际意义。
由于各种原因而患有一侧肢体运动障碍的患者人数很多，随着生活水平的提高对康复治疗的需求也会越来很大，康复机器人将有很好的市场前景。
这项技术在欧美等国家自得到普遍重视，康复机器人成果的转化可能会带动一个新兴的机器人产业的发展，这将对国民经济的发展发挥重要作用。
下肢康复机器人研究现状康复机器人的生产发展康复机器人是帮助残疾人解决生活中活动困难的一种工具，它可以在家里或在工作场所使用，使残疾人获得更强的生活能力，并相当大地提高他们的生活质量。
康复机器人现在已经由科学幻想走进了现实生活之中过去几年，康复机器人在欧洲已经有所发展，一些欧洲企业在技术开发及投资方面给予了支持目前已有两种康复机器人打人了市场，即Hmdv l及MANus，它们都是欧洲生产的Handy 1有5个自由度，残疾人可利用它在桌面高度吃饭；MANUs 是一种装在轮椅上的仿人形的手臂，它有6(或7)个自由度，其工作范围可由地面到人站立时达到的地方，不过，康复机器人进人市场的过程却非常缓慢，许多人仍然把它看作是一项未来的技术显然，要想在实际生活中很好地利用康复机器人。
《下肢外骨骼康复机器人的人机交互控制系统设计与实现》一、引言随着医疗科技和机器人技术的飞速发展，下肢外骨骼康复机器人逐渐成为康复医学领域的重要工具。
这种机器人能够辅助患者进行康复训练，提高其行走能力。
而人机交互控制系统的设计是实现这一目标的关键。
本文将详细介绍下肢外骨骼康复机器人的人机交互控制系统的设计与实现过程。
二、系统设计目标本系统设计的主要目标是实现患者与下肢外骨骼康复机器人之间的有效交互，确保机器人在辅助患者进行康复训练时的安全性和舒适性。
同时，系统应具备智能性，能够根据患者的实际情况调整训练强度和模式，以实现最佳的康复效果。
三、系统设计原理系统设计基于人体运动学、生物力学以及机器人控制技术，结合现代计算机科学和人工智能算法，实现人机之间的信息交互和动作协同。
通过传感器获取患者的生理信息，机器人根据这些信息调整自身的运动状态，以适应患者的需求。
四、硬件设计硬件部分主要包括下肢外骨骼机器人本体、传感器、控制器等。
外骨骼机器人采用轻质材料制作，以减轻患者负担。
传感器包括压力传感器、角度传感器等，用于获取患者的生理信息和运动状态。
控制器采用高性能计算机或专用芯片，负责处理传感器信息，控制机器人的运动。
五、软件设计软件部分包括人机交互界面、控制算法、数据处理等模块。
人机交互界面采用图形化界面，便于患者和医护人员操作。
控制算法采用现代控制理论，如模糊控制、神经网络控制等，实现机器人的智能控制。
数据处理模块负责收集、分析和存储患者的生理信息和训练数据，为医生和患者提供科学的康复依据。
六、实现过程1. 系统初始化：设置机器人初始状态，确保其处于安全运行状态。
2. 传感器信息采集：通过压力传感器、角度传感器等获取患者的生理信息和运动状态。
3. 信息处理：将传感器信息传输至控制器，控制器通过算法处理这些信息，得出机器人的运动指令。
4. 机器人运动控制：根据运动指令，控制机器人进行相应的动作，实现与患者的协同运动。
外骨骼康复机器人控制系统设计与实现外骨骼康复机器人是一种可以协助受伤或残疾人进行康复训练的机器人。
在康复治疗中，外骨骼机器人可以帮助患者进行步态训练、肌肉力量训练等，从而加快康复进程。
外骨骼机器人的控制系统是机器人实现运动的核心。
本文将介绍外骨骼康复机器人的控制系统设计与实现。
一、控制系统的设计控制系统的设计是外骨骼机器人开发的重要部分。
正确的设计可以保证机器人能够正常运行并实现自身的功能。
1. 系统架构设计外骨骼康复机器人的系统架构是指机器人各个部分实现功能的结构方式。
系统架构应保证机器人的功能必须被实现。
在康复治疗中，外骨骼机器人的功能包括设置关节范围、控制关节的旋转，并确保机器人的安全性。
2. 传感器的设计传感器是控制系统的重要组成部分。
机器人需要传感器来检测人类运动和机器人自身运动。
此外，传感器还可以检测用户的身体姿态，以确保机器人的功能得到正确实现。
3. 控制算法的设计机器人的控制算法是机器人实现功能的核心部分。
机器人的控制算法采用机器学习算法和深度学习算法来实现。
能够根据患者的特定情况来进行形式化的控制，以便机器人的运动可以定制和满足患者的个体差异。
此外，控制算法还需要能够进行预测并及时响应，以消除任何问题。
4. 运动学模型的建立运动学模型是机器人控制系统的一个重要部分。
它用于计算机器人的运动速度、方向和加速度。
一个好的运动学模型可以确保机器人运动的完整性，并确保机器人的连续性。
5. 状态估计和反馈设计状态估计和反馈控制是机器人控制系统中的另一个重要组成部分。
状态估计用于实时监测机器人的状态，而反馈控制则可调整机器人的状态。
此外，状态估计和反馈控制可保证机器人的运动是平稳的，以便患者可以舒适地进行康复训练。
6. 机器人界面设计机器人界面是机器人控制系统的另一个重要组成部分。
它用于与操作者、医生和患者进行交流。
正确的界面设计可确保机器人的操作方便、准确和可靠，并可以提高机器人操作者的使用效率。
康复机器人毕业设计康复机器人是一种专门设计用于康复训练和康复治疗的机器人。
它可以在康复医院、康复中心或家庭环境中配合医生或治疗师进行康复训练，帮助康复患者进行功能恢复和身体锻炼。
康复机器人的毕业设计可以包括以下内容：1. 机器人的设计与搭建：设计一个康复机器人的机械结构，包括关节和运动部件的设计，以实现多种康复运动。
机器人的搭建需要考虑材料的选择、传感器的安装等。
2. 运动控制系统：设计一个运动控制系统，以控制机器人的运动。
可以使用传感器来监测患者的运动状态，并根据需要调整机器人的运动。
控制系统可以使用嵌入式开发板或其他控制器来实现。
3. 智能交互系统：设计一个智能交互系统，使机器人能够理解患者的指令并进行相应的动作。
可以使用语音识别技术、图像识别技术等实现智能交互。
4. 运动模式设计：设计不同的康复运动模式，根据患者的康复需求和医生的建议提供个性化的康复训练方案。
运动模式可以包括关节活动范围的恢复、肌肉力量的增强等。
5. 康复训练监测与评估：设计一个监测与评估系统，用于监测患者康复训练的效果。
可以使用传感器来监测患者的运动状态和肌肉力量等指标，并根据评估结果调整康复训练方案。
6. 安全保护设计：考虑患者的安全，设计安全保护装置，避免机器人的运动对患者造成伤害。
可以设置传感器来检测机器人与患者之间的距离，并根据距离调整机器人的运动。
7. 数据分析与可视化：设计一个数据分析与可视化系统，用于对康复训练数据进行分析和可视化展示。
可以使用数据分析算法来分析患者的康复进度和效果，并通过可视化图表展示给医生和患者。
8. 实验验证与评估：设计实验验证机器人的康复效果和运动控制性能，并进行评估。
可以招募志愿者患者进行实验，并通过实验结果来评估机器人的康复效果和使用体验。
以上是康复机器人毕业设计的一些主要内容，具体设计还需要根据实际情况和个人兴趣进行具体确定。
第1章绪论1.1概述据报道，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。
在老龄人群众中有大量的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]。
近年由于患心脑血管疾病使中老年患者出现偏瘫的人数不断增多，而且在年龄上呈现年轻化趋势。
同时，由于交通运输工具的迅速增长，因交通事故而造成神经心痛损伤或者肢体损伤的人数也越来越多。
在美国数以百万计的有神经科疾病病史和受到过意外伤害的患者需要进行康复治疗，仅以中风为例，每年大约有600，000中风幸存者，其中的二百万病人在中风后存在长期的运动障碍。
随着国民经济的发展，这个特殊群体已得到了更多人的关注，为了提高他们的生活质量，治疗、康复和服务于他们的产品的技术和质量也在相应地提高。
随着机器人技术和康复医学的发展，在欧洲、美国和日本等国家，医疗康复机器人的市场占有率呈逐年上升的趋势，仅预测日本未来机器人市场，2005年医疗、护理、康复机器人的市场份额约为250，000美元，而到2010年将上升到1，050，000美元，其增长率在机器人的所有应用领域中占据首位。
因此，服务于四肢的康复设备的研究和应用有着广阔的发展前景[2]。
康复机器人是康复设备的一种类型。
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的普遍重视，其中以欧美和日本的成果最为显著。
在我国康复医学工程虽然得到了普遍的重视，而康复机器人研究仍处于起步阶段，一些简单康复器械远远不能满足市场对智能化、人机工程化的康复机器人的需求，有待进一步的研究和发展。
由于康复训练机器人要与人体直接相连，来带动肢体进行康复训练，所以对驱动器的安全性、柔性的要求较高。
近年来，以气动元件柔性驱动器逐渐引起人们的重视，在医疗康复器械领域中得到越来越多的应用。
本课题的研究目的是设计一种用于脑损伤、中风等病人的步态康复训练1系统，帮助病人更好地进行康复训练，减轻他人的帮助，挺高效果。
1.2康复机器人的国内外研究现状在对有运动障碍的老人或残疾人进行治疗和康复的过程中，使用康复机器人可以解决好多问题：机器人的使用可以解决专业护理人员缺乏和医疗费用昂贵的问题，可以避免由于训练方法不科学和专业护理人员个人疏忽等主观原因引起的对病人的伤害，可供病人在家或工作场所使用，使病人获得更多的独立生活能力，提高了病人的生活质量等。
康复机器人是一种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的康复训练，使患者的运动机能得到更快更好的恢复。
目前，康复机器人已经广泛地应用到康复护理、假肢和康复治疗等方面，这不仅促进了康复医学的发展，也带动了相关领域的新技术和新理论的发展。
康复机器人有两种：辅助型康复机器人和康复训练机器人。
辅助型康复机器人主要是帮助肢体运动有困难的患者完成各种动作，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。
康复训练机器人的主要功能是帮助患者完成各种运动功能的恢复训练，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的完美结合，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的普遍重视，许多研究机构都开展了有关的研究工作，近年来取得了一些有价值的成果。
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的治疗效果。
国内外许多研究机构都在这方面取得了不错的研究结果。
下肢康复训练机器人发展主要经历了几个阶段。
由早期的简单步行训练机发展到现在功能丰富、符合人体运动机理的下肢康复训练机器人。
早期发展的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、价格便宜，但训练过程中必须有专业人员的帮助，而且并不符合人体运动机理，还不能称为康复训练机器人，只能是一种半自动的康复训练机械，如图1.1、2图1.2所示。
图1.1、图1.2中的步行训练机，它的功能单一、价格便宜，而且需要在专业护理人员的帮助下进行康复训练，这种机械对下肢病情比较轻的病人较合适。
图1.1步行训练机[3]图1.2悬挂式步行训练机[4]随着机器人技术和康复医学的发展，人们对人的行走步态有了比较清楚的认识，开发出了一些符合人体康复需要的产品。
德国柏林自由大学(Free University of Berlin)开展了腿部康复机器人的研究[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一些成果，在汉诺威2001年世界工业展览会上展出了名为LOKOMAT(图1.4)的康复机器人模型。
LOKOMAT机器人主要由步态矫正器、先进的体重支持系统和跑台组成。
LOKOMAT机器人以使用者为根本，通过对机器人的行为、耐心、合作及运动功能进行评估,建立了一种更为有效的治疗方式，即：机器人先侦测使用者的运动，并且跟随使用者的运行轨迹而不是强制使用者按照预定的轨迹运动，通过机器人的自适应功能，来满足使用者的不同需求，它可以调整训练参数以适合不同患者的需要[6]。
3图1.3MGT型康复机器人图1.4LOKOMAT机器人德国柏林的IPK研究所研制的Robotic Gait Rehabilitation，通过一个可编程控制的脚踏板来带动患者实现步态的轨迹模拟，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4美国加州大学伯克利分校的科学家研制出一种机器人称为“伯克利末端外骨骼”（BLEEX）[8]，BLEEX包括可以牢牢地固定在使用者脚上但又不会和使用者摩擦的金属支架，以及用来承载重物的背包式外架和动力设备等，这种机器人除了可以帮助正常人增加负载能力外还可以帮助下肢残疾的病人行走，一定程度上恢复下肢功能(图1.6）。
图1.6BLEEX日本筑波大学Cybernics实验室的科学家和工程师们，研制出了世界上第一种商业外骨骼机器人(Hybrid Assistive Leg，HAL)[9](图1.7)，准确地说，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公里的速度行走，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种全身性外骨骼机器人。
神奈川理工学院研制的“动力辅助服”[9](Power Assist Suit)(图1.8）可使人的力量增加0.5-1倍，使用肌肉压力传感器分析佩戴者的运动状况，通过复杂的气压传动装置增加人的力量。
这种装置最初是为护士研制的，用来帮助她们照料体重较大或根本无法行走的病人。
现在已经有残疾人在这种机器人的帮助下实现了登山运动。
5图1.7HAL机器人图1.8Power Assist Sui t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的研究领域，根据活动依赖神经系统的可塑性，量化和评估模式肌电图在步态等方面的作用，建立数学模型模拟的感觉运动障碍。
图1.9为NPH的机器人在实验中。
6图1.9NPH的机器人在进行试验在我国，康复医疗工程已经得到了普遍重视，康复训练机器人广阔的应用前景将推动康复机器人技术的进一步发展。
我国对康复机器人的研究起步比较晚，辅助型康复机器人的研究成果相对较多，康复训练机器人方面的研究成果则比较少。
清华大学在国内率先研制了卧式下肢康复训练机器人样机在这项成果中他们采用了虚拟现实技术[10]。
哈尔滨工程大学在康复机器人方面也取得了不错的成果。
哈尔滨工程大学研制的下肢康复机器人可以模拟正常人行走的步态、踝关节的运动姿态以及重心的运动规律，带动下肢做行走运动，实现对下肢各个关节的运动训练、肌肉的锻炼以及神经功能的恢复训练。
通过获取脚的受力状态、腿部肌肉状态和下肢关节状态等人体的生物信息，协调重心控制系统和步态系统的运动关系，使之与人体运动状态相协调，获得最佳训练效果。
图1.10 、图1.11 所示分别为哈尔滨工程大学研制的卧式下肢康复机器人和基于步态姿态控制的下肢康复机器人系统[11]。
7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本课题主要研究内容本文“基于姿态控制步态康复训练系统的设计”的研究目的是设计出一种可以辅助下肢有运动功能障碍的老人或残疾人进行功能恢复训练的康复机器人，工作重点是机器人机械本体的结构设计，要考虑安全性、可靠性、柔顺性，同时进行了气动控制系统的设计。
课题内容主要包括：1.步态康复训练系统的结构方案设计及运动学分析，包括人体行走的步态、自由度的设计、基本参数的选取、整体结构设计等。
2.机器人机械本体结构的设计与计算，包括姿态控制结构设计和减重结构设计。
3.机器人驱动器的供气控制系统的设计。
8第2章总体方案设计与选择的论证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的自动化机械装置。
它可以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的运动情况如图2.1所示[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的时间，它占了一个步行周期的62%。
摆动期是脚在空中的时间，它占了一个步行周期的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9期占步行周期的38%。
双侧肢体支撑期中包括预承重期和摆动前期，各占步行周期12%。
各时期划分及有关具体内容如下:(l)双侧肢体支撑期。
为双足着地、由双侧肢体支撑体重的时期，又分为被测下肢在前的“前足着地双足支撑期”(预承重期)和被测下肢在后的“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的时期;摆动前期是从对侧足足跟着地至被侧足足趾离地的时期。
一侧足的预承重期即为对侧足的摆动前期。
(2)单侧肢体支撑期。
仅由被测足承担体重的时期，即从对侧足足趾离地至对侧足足跟着地的时期，也是对侧肢体摆动期。
(3)摆动期。
被测足不接触地面的时期，即从被测足足趾离地至同侧足跟着地的时期，也是对单侧肢体支撑期。
步态各重要阶段动作:(1)脚后跟受:一般的步态历程，最开始的动作为右脚接触到地面的瞬间，也就是后脚跟刚与地面接触的动作；(2)前脚完全承载:在脚后跟受力后，脚掌渐渐贴附地面，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，摆动后右脚瞬间的动作即为支撑段中期；(4)脚后跟离地:左脚摆动过右脚后，右脚后跟离开地面的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的瞬简，我们称之为脚指离地，由于它是右脚摆动前的动作，所以也称为预先摆动；(6)摆动中期:右腿摆动过左腿的瞬间动作，此时的动作为支撑段中期。
