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机械工程专业本科毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）题目辅助下肢运动障碍患者康复训练机器人结构设计学院土木工程学院学号姓名一、毕业设计（论文）题目来源设计题目依据专业培养方案要求，在专业课教学内容基础上结合生产实践需求、指导教师科研方向、学生特长爱好及可能从事的工作等综合确定。
二、毕业设计（论文）应完成的主要内容1.查阅资料文献，了解中低位截瘫患者的生理结构，了解康复/助行机器人的分类、特点、结构、功能等，了解设计的主要内容及常用设计方法，了解课题的研究现状及设计过程中容易出现的问题，撰写开题报告及外文翻译；2.对低中位截瘫患者的行走需求进行分析，对辅助行走系统进行初步的静态尺寸分析，确定设计的初始条件及设计要求，分析并确定该系统帮助中低位截瘫患者进行行走康复的实施过程、动作组成、动作循环，确定设计的总体方案；3.完成中低位截瘫患者辅助行走机械系统设计，至少应包括悬吊系统（支承框架、升降位移机构等）设计和立行系统（穿戴支持结构、辅助行走机构等）设计，确定工作参数、结构尺寸、传动方案等，对动力部分、传动部分和执行部分进行选型和参数计算等；4.设计过程应充分考虑助行系统对患者的适应性、应用过程的便利性、并从节能环保角度体现设计的创新性；5.完成关键零部件的三维模型建立，并实现总体装配；6.撰写毕业论文和相关技术文件。
三、毕业设计（论文）的基本要求及应完成的成果形式1.4000字左右开题报告一份；2.不少于1000字外文文献翻译一份；3.1.5万字左右设计计算说明书一份；4.不少于2张A0图量。
四、毕业设计（论文）的进度计划五、毕业设计（论文）应收集的资料及主要参考文献综合利用学校网络科技数据库及图书馆进行资料查询，在可能的情况下，可以去实地调研。
理论基础：机械原理、机械设计、工程机械设计、材料力学等工具书：机械设计手册、机械传动设计手册等软件：AutoCAD、CATIA/solid works等关键字：截瘫障碍、下肢助行、康复机器人、机构设计六、其他要求（此项为可选项）指导老师签名 2023年12月 27日。
上肢康复机器人的设计与控制研究近年来，随着人口老龄化的加剧和慢性疾病的增多，康复机器人被广泛应用于康复领域。
上肢康复机器人作为康复机器人中的重要组成部分，在帮助患者恢复上肢功能方面具有重要意义。
本文旨在探讨，以期为康复领域的发展提供新的思路和方法。
首先，上肢康复机器人的设计是关键的。
在设计过程中，需要考虑患者的具体情况和康复需求，以确保机器人能够满足患者的康复训练需求。
针对不同类型的上肢运动障碍，可以设计不同类型的康复机器人，例如适用于握拿功能恢复的机器人、适用于肩关节功能恢复的机器人等。
此外，还需要考虑机器人的舒适性和用户友好性，以提升患者的康复体验。
其次，上肢康复机器人的控制是实现有效康复训练的关键。
控制系统的设计需要考虑到患者的运动特点和康复目标，确保机器人能够提供个性化的康复训练。
传感器技术在控制系统中起着重要作用，可以实时监测患者的运动状态，并根据监测结果调整机器人的运动模式。
此外，虚拟现实和增强现实技术的应用也可以提高康复训练的效果，增加患者的参与度和兴趣。
最后，需要强调的是上肢康复机器人的设计与控制研究还处于初级阶段，尚有许多挑战和机遇。
例如，如何实现机器人与患者之间的良好互动，如何提高机器人的精准度和灵活性，如何实现机器人与其他康复设备的协同工作等问题都需要进一步研究和探索。
未来，可以通过整合人工智能、机器学习等先进技术，不断优化上肢康复机器人的设计与控制，提升康复训练的效果和效率。
梳理一下本文的重点，我们可以发现，上肢康复机器人的设计与控制研究具有重要意义，对提高康复训练的质量和效果具有重要意义。
通过不断深入研究和探索，相信上肢康复机器人将在未来发挥更加重要的作用，为康复领域的发展带来新的希望和机遇。
希望本文的探讨能够为相关领域的研究者和从业者提供参考和启示，推动上肢康复机器人的研究与实践取得更大的成就。
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。
单腿多自由度下肢康复机器人设计本文将介绍单腿多自由度下肢康复机器人的结构设计。
该机器人由机械臂、腿部支架、舵机和传感器等组成。
机械臂的设计采用球面焊接方式，以提高机器人的稳定性。
腿部支架采用铝合金材质，具有较高的强度和刚度，能够承受患者腿部运动时的力量。
舵机的选择要具备较高的力矩和速度，以实现机器人的精确控制。
传感器主要用于监测患者下肢的状态，包括角度、速度和力量等。
本文将介绍单腿多自由度下肢康复机器人的力控制系统。
力控制系统是机器人实现精确控制的关键。
本文采用PID控制器来控制机器人的力矩输出。
PID控制器根据机器人的实际力矩和期望力矩之间的差异，调整舵机的控制信号，使机器人的力矩输出趋近于期望力矩。
为了提高力控制系统的精度，本文还引入了力传感器，用于实时监测机器人的力矩输出。
本文将介绍单腿多自由度下肢康复机器人的运动规划算法。
运动规划算法是机器人实现正确运动的关键。
本文采用末端控制方法来实现运动规划。
末端控制方法通过控制机器人的末端位置和姿态，来实现控制机器人的整体运动。
具体来说，本文采用基于关节空间的末端控制方法，将机器人的位置和姿态调整为期望值，然后计算控制机器人各个关节的角度。
本文设计了一种单腿多自由度下肢康复机器人，以解决目前市场上存在的问题。
该机器人具有稳定性高、控制精度高和安全性好等特点，能够满足下肢功能障碍患者的康复训练需求。
未来，可以进一步研究机器人的自适应控制算法和智能化控制算法，以提高机器人的适应能力和智能化水平。
可以进一步改善机器人的舒适性和便携性，以提高患者的使用体验。
外骨骼机器人控制系统的设计与实现近年来，随着科技的飞速发展，机器人技术也不断得到升级和完善，其中外骨骼机器人备受关注。
外骨骼机器人可以帮助行动不便的人进行康复训练，也可以增加人类劳动力，提高生产效率。
为了使外骨骼机器人更加智能化、便捷化，控制系统的设计与实现显得尤为重要。
一、外骨骼机器人的构成外骨骼机器人主要由机械结构、传感器、执行机构、电源系统和控制系统五部分组成。
传感器包括惯性传感器、力传感器、视觉传感器等；执行机构包括电机、气缸、液压缸等；电源系统主要提供机械设备和电子设备的电力支持；控制系统是外骨骼机器人的“大脑”，通过对各种传感器数据和任务信息的处理，控制执行机构动作。
二、外骨骼机器人控制系统设计的流程1、确定机器人任务：外骨骼机器人有不同的应用场景，需要根据不同任务来设计控制系统。
2、选择传感器：根据任务需求，选择合适的传感器，进行数据采集工作。
3、确定控制算法：控制算法根据用户控制动作摆动情况、测量行进速度、测量技术数据及计算等信息，对控制系统进行处理。
4、设计控制器：根据所需功能和算法，进行控制器软硬件的设计。
5、测试并调整控制系统：通过外骨骼机器人进行测试和调整，优化控制系统。
三、外骨骼机器人控制系统实现的关键技术1、姿态控制技术：外骨骼机器人的姿态控制是针对机器人完整系统的变化而显示的动态响应控制。
2、力控制技术：外骨骼机器人的力控制技术关键是使机器人稳定性，在安全的前提下使力传感器检测到的数据控制附加部分力。
3、传感器融合技术：传感器融合技术是指将多个传感器数据融合进行处理，消除数据之间的影响，提高控制系统的精度和稳定性。
4、数据处理技术：数据处理技术是将传感器采集到的数据进行预处理，如去噪、降采样、滤波等，以提高数据质量，提高控制系统精度。
四、控制系统的实现方案外骨骼机器人的控制系统可以采用硬件控制和软件控制两种方案。
硬件控制的实现需要设计电子电路，软件控制的实现需要编写控制程序。
单腿多自由度下肢康复机器人设计一、需求分析1. 需要满足单腿康复需求：目前市场上的下肢康复机器人大多只能同时治疗双腿，对于单腿患者的康复需求无法完全满足。
2. 多自由度设计：为了能够更好地模拟人体运动，下肢康复机器人需要具备多自由度设计，从而能够更好地调整角度和幅度以适应不同的治疗需求。
3. 安全性和稳定性：康复机器人在为患者提供治疗的还需要确保患者的安全，防止因机器人失稳而引发意外。
4. 数据采集和分析功能：康复机器人需要能够采集患者的运动数据，并进行分析，从而为医生和康复师提供更精准的治疗方案。
二、设计理念1. 针对单腿康复需求设计：本款下肢康复机器人将专门针对单腿患者的康复需求进行设计，能够为单腿患者提供更精准、全面的康复治疗。
三、设计方案1. 结构设计：康复机器人将采用轻量化材料，结构设计合理，能够灵活调整机器人姿态，满足不同的治疗需求。
2. 动力系统：机器人将采用电动执行机构，能够灵活运动并提供治疗动力，同时通过自身控制系统进行运动控制，保证治疗的准确性和安全性。
3. 传感器系统：机器人将配备多种传感器，能够实时监测患者的运动状态，并实时反馈给控制系统，从而保证机器人在进行治疗时的稳定性和安全性。
四、性能参数1. 多自由度设计：机器人将拥有多个关节自由度，能够模拟人体运动的多种姿态，并能够根据患者的康复需求进行灵活调整。
2. 精准度和稳定性：机器人的运动精准度高，能够确保治疗的准确性；同时采用先进的传感器和控制系统，能够确保机器人在进行治疗时的稳定性。
4. 人机交互性：机器人将配备智能人机交互系统，能够实时与患者进行互动，提供更人性化的康复治疗体验。
五、应用前景设计一款单腿多自由度下肢康复机器人，将给单腿患者的康复治疗带来巨大的改变。
它能够更好地满足单腿患者的康复需求，提供更精准、全面的康复治疗；多自由度设计将能够更好地模拟人体运动，提供更灵活的治疗方式；安全稳定性设计能够保证患者在治疗过程中的安全；数据采集和分析功能将为医生和康复师提供更精准的治疗方案，从而提升治疗效果。
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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。
第３５卷第５期２０２１年９月兰州文理学院学报(自然科学版)J o u r n a l o fL a n z h o uU n i v e r s i t y ofA r t s a n dS c i e n c e (N a t u r a l S c i e n c e s )V o l ．３５N o ．５S e pt ．２０２１收稿日期:２０２１Ｇ０３Ｇ０９基金项目:安徽理工大学２０２０年研究生创新基金(２０２０C X ２０５９)作者简介:姚威威(１９９４Ｇ),男,安徽阜阳人,在读硕士,研究方向:电力电子技术．E Ｇm a i l :３４２５５１７９５＠q q．c o m．∗通信作者:邢丽坤(１９９８Ｇ),女,河北赵县人,副教授,研究方向:智能信息采集与处理．E Ｇm a i l :x i n gl i k u n ＠１２６．c o m．㊀㊀文章编号:２０９５Ｇ６９９１(２０２１)０５Ｇ００６１Ｇ０５双腿康复机器人设计姚威威,邢丽坤∗(安徽理工大学电气与信息工程学院,安徽淮南２３２００１)摘要:为解决现有腿部康复器械资源短缺以及费用较高的问题,设计出一款新型的智能下肢康复机器人,原型机所用元件有６个六自由度舵机㊁２个２０c m 推拉杆㊁S TM ３２单片机㊁压力传感器㊁肌电传感器等．推拉杆辅助人体站立,舵机模拟人体腿部关节带动躯干做出抬腿㊁抬脚㊁原地踏步等动作,如有意外按下报警按键暂停机器人运动同时发出警报,舵机有３种速度可调．患者有一定意识后,通过主动抬腿触碰到压力传感器开始动作,由被动训练转变为主动训练．关键词:康复机器人;机械结构;S TM ３２单片机;压力传感器;肌电传感器中图分类号:T P ２４２．３㊀㊀㊀文献标志码:A㊀㊀如今在所有的医疗器械当中,康复医疗器械占有很大一部分,不管是从国外的研究情况还是从国内的市场来看,康复医疗器械都发展很好．截止到２０１９年,我国共有６０００多个康复理疗机构,其中用于肢体残疾治愈训练的机构不到１/３．我国残疾人共有８６１２万人,其中下肢残疾１３５６万人,仅有１６．４万的下肢残疾患者有过康复训练[１]．所以,治愈配备供给之间有很大缺口．未来的康复医疗器械必定向着智能化㊁自动化㊁人性化的方向发展．现在的医疗康复器械行业呈 百家争鸣 的状态,但是真正能够做到人性化的发展是少之又少．随着互联网行业的发展,康复医疗器械已逐渐向互联网方向靠近,这也正是医疗康复器械技术障碍．为了向未来方向发展和占据未来医疗康复器械的市场,此次设计增加了与互联网挂钩的想法,让康复机器人根据患者的状态来设定康复训练的具体计划[２]．康复机器人是一种康复病人㊁帮助病人恢复正常人生活状态的一种机器人[３]．与传统的医疗康复机器人相比,本设计的双腿康复机器人有很多自身的优点,在所有功能都能实现的状况下,设计一款体积小㊁造价低㊁性能高的康复机器人,用来康复病人的同时利用互联网技术将病人的实时状态康复数据上传,在线供医生参考,同时医生可以在线指导康复训练,极大缓解了中国社会医护人员数量不足的状况．1㊀系统设计此次设计主要针对下肢瘫痪患者的康复训练．目前已有的康复机器人只存在于康复机构且价格昂贵㊁体积大[４]．本文所设计的多功能康复机器人是一种小型适合家用的机器人,具有更加智能化特点,以下是具体模块介绍,设计流程如图１所示．图１㊀系统设计框图㊀㊀(１)机械结构设计先进行机器腿部设计,模拟人体腿部结构．用单片机做控制核心,用六自由度舵机模拟膝盖㊁脚踝㊁跨关节,用延展材料模拟人体腿部躯干．再设置腰部机械结构,设计一个腰部护板保护人体安全,前面加一个弹性材质的防护带．最后进行整体框架的机械结构设计,主要用来保证整个机器的安全性㊁稳固性．(２)硬件设计硬件方面主要包括几个电路设计．自动升降系统是利用推拉杆辅助人体的坐起,单片机向继电器发送指令控制推拉杆的伸缩来完成机器腿部的自动升降,该装置方便病人由坐姿状态变为站立状态,其框架起到保护病人的作用,病人在康复训练中不会摔倒,从而更好地帮助病人康复训练．在膝关节处安装压力传感器,人的膝盖接触到传感器且压力值达到阈值时压力传感器会向继电器发送信号带动舵机运动．在这种模式下,机械腿通过压力传感器感应到病人的抬腿动作从而执行科学的康复动作组训练．此功能将人的被动康复训练转变成主动训练,达到病人自主式行走的锻炼方式,可以增强其康复信心[５]．训练时将肌电贴片贴在皮肤表面启动数据监测功能,通过显示屏幕可以显示病人的双腿运动次数,同时肌电传感器实时监测病人大脑给腿部肌肉传输的脉冲电信号,再通过路由器和W iＧF i模块将传感器检测到的脉冲信号传给远程云端医生监控平台,医生根据传输来的数据实时制定新的康复计划,以此保证专业康复训练．(３)软件设计本次设计围绕S T M３２单片机为核心,显示屏用１６０２,电路图采用画图软件P r o t e u s,继电器相当于控制开关,舵机控制板控制舵机．2㊀机械结构2.1㊀腿部机械关节设计该结构需要实现人体腿部的自动抬升和弯曲,因此机器人的腿部设计与人体腿部构造相同,利用舵机模仿人体腿部的关节,舵机的旋转模仿人腿部关节的弯曲,但人体关节可以空间多角度旋转,舵机只能在一个位置进行旋转,因此用六个舵机,分别分布在人体的大胯㊁膝盖和脚踝三个位置．之后,通过一定强度的连杆两两连接舵机,其中一个舵机的转动会带动连杆的转动,当所有舵机都通电后,每个舵机都固定到原始状态,只要将调好的动作组下载到舵机的驱动板中,在开启电源后舵机会自行实施已调好的动作组,这些动作组的执行会带动舵机之间的连接杆,通过这样的结构和运动状态,机器人腿部运动就可以模仿人走路的状态．为了可以更好地帮助人体腿部运动,在机器人腿部加上固定装置,将人腿绑在连接杆上,这样人腿就会随舵机的运动而运动．此装置结合人体腿部的构造,加上合适的驱动原件设计一套六自由度双足机器人,此机器人能够有效实现人行走状态的部分功能,只要将机器人模仿人类走路的动作组下载到舵机的驱动板上,然后机器人开始执行这些动作．通过这样的机械设计和逻辑顺序动作组就可以实现人腿部的抬升和伸屈等动作,腿部结构图如图２所示．１１:上肢机械腿;１２:L D XＧ２１８双轴舵机;１３:L D XＧ２１８双轴舵机上支架;１４:L D XＧ２１８双轴舵机下支架;１５:下肢机械腿图２㊀腿部结构图将其与木质连杆连接,舵机运动时通过下支架带动模拟的大腿躯干运动．舵机模拟人体腿部关节,提前在舵机控制板上设置好转角速度以及转角幅度,六个舵机都在控制板上进行功能指令后进行运动以达到模拟人腿自由行走的姿态．此设计中用木条模拟人腿大腿部位．2.2㊀机器人腰部机械设计在设计身体稳定装置时考虑病人的实际情况,采用安全带将病人的腰部和背部缚住,将这些安全带的一端固定在一个靠背装置上,通过启动２６㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀兰州文理学院学报(自然科学版)㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第３５卷推拉杆升降可将人体抬起来．另外,双腿无力的病人需要在外人的搀扶下将双腿绑在机器人双腿的两侧,在这种情况下需要控制病人的平衡,为了更加容易地把病人稳住,在此装置上增加一个座位装置,这样病人会更加容易控制平衡,对外人来说,只需要帮助病人扶到这个座位装置,通过上述起身装置将人体慢慢升起来．这个座位装置就是固定在底座,机器结构如图３所示．㊀１:背靠靠板;２:光轴自锁滑块;３:辅助座椅;４:立式轴承光杆座;５:光轴滑杆;６:底座;７:电动推拉杆;１１:上肢机械腿;１２:L D XＧ２１８双轴舵机;１３:L D XＧ２１８双轴舵机上支架;１４:L D XＧ２１８双轴舵机下支架;１５:下肢机械腿;１６:推拉杆地板;１７:底座固定板图３㊀机器人三维图3㊀硬件设计3.1㊀压力传感器的使用设计本次设计所用的压力传感器H X７１１A D具有灵敏度高㊁稳定性好等特点[６]．具体工作原理和流程是先设置一个较小的压力值(阈值),压力值会在１６０２屏幕上显示出来,当病人的腿部向前屈伸碰到压力传感器时,触碰的力量达到阈值会启动压力传感器,此时压力传感器会向单片机发出指令,单片机再发送给继电器一个信号,继电器通电,此时压力传感器的电路部分工作结束．继电器会向控制舵机的单片机发出指令带动舵机控制板控制舵机按照设置角度运动．压力传感器的工作流程如图４所示．图４㊀压力传感器工作图3.2㊀肌电传感器的使用设计此次设计采用的肌电传感器是基于大数据平台(青莲云)的一款集检测与反馈于一体的传感器,肌电传感器的原理是通过贴在腿部皮肤表面的敏感贴片检测到大脑向腿部肌肉传输的脉冲电信号,将采集到的肌电信号发送给肌电传感器,经过A D８２２１信号进行放大后传给单片机,单片机与W iＧF i模块相连将数据传向云端．在另一端医生可以用手机连接云端数据平台看到患者的数据,依据数据对患者的病情做出相应的判断,肌电传感器工作流程如图５所示．肌电传感器的功能是数据监测,在人反复康复腿部的训练过程中可以对康复的训练次数进行计数和肌肉康复状态的实时监控,先给病人一个科学的康复训练次数指标,然后通过肌电传感器实时监测病人肌肉的状态数据,其更加标准和科学,通过数据监测显示该病人的实时训练状态,这样就会给病人一个科学康复训练方法,此数据能够显示病人的康复指标,在一定程度上给病人一种信心和精神鼓励,提高其康复训练效率．３６第５期姚威威:双腿康复机器人设计图５㊀肌电传感器工作流程图4㊀软件设计单片机上电,进入初始化状态,按下按键１单片机向S T M ３２发送串口命令,舵机执行命令进行低速旋转,再按一下按键１,舵机停止．按键２的功能与按键１相似,只是按键２执行的是高速旋转．按键３向继电器发送指令,继电器上电后系统停止运动的同时蜂鸣器发出警报起到报警作用,整个软件设计流程如图６所示．图６㊀流程图㊀㊀根据压力传感器流程图来编写压力传感器程序,因为压力传感器的作用是判定患者腿部运动的极限距离或者患者运动的最大力度,所以根据患者的实际情况编写压力传感器的阀值,同时根据患者康复时间的长短来改变压力传感器的阀值,并且这个压力传感器整个流程为一个闭环控制系统,在人腿运动的力度未达到阀值时,机器人没有动作,如果人腿的运动超过了设定值,机器人开始进行康复训练[７]．此程序的编写主要就是压力传感器检测,主控芯片为单片机．首先在程序中定义按键端口和继电器端口,并且定义相应的字符变量．然后初始化压力传感器的程序,程序中赋压力传感器初值．当压力传感器感应到外界压力时电阻会发生变化,此时电流也会发生变化,产生一个电平给继电器,继电器接到信号就会动作,接继电器的端口电平就会发生变化,根据所编写的程序,单片机会发一个指令给蜂鸣器,蜂鸣器就会报警告诉瞬时压力值超过所设定的压力初值,这就是压力传感器控制的具体工作流程,软件程序就是根据此流程来编写,工作过程如图７所示．按照设计标准制作得到康复机器人原型机如图８所示．图７㊀压力传感器流程图４６㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀兰州文理学院学报(自然科学版)㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第３５卷图８㊀机器人原型机图5㊀结论双腿康复机器人通过仿真试验㊁实物调试,得到以下结论:①机器人有３种速度可以选择,供不同情况患者和不同阶段接受康复训练的人选择;②通过数据平台,可以实现医生和患者线上实时交流,医生可以及时掌握患者训练数据并制定新的训练计划反馈给患者;③机器体积较小,适合小型机构和家庭使用,缓解了家庭陪护人员的压力;④在膝盖处安装压力传感器,将被动运动转为主动运动,增加患者康复信心．参考文献:[１]邱林．下肢助力外骨骼轻量化与助力性能研究[D ]．济南:山东科技大学,２０１８．[２]李剑锋,张子康,张雷雨,等．并联踝康复机器人的系统搭建与运动控制策略[J ]．中南大学学报(自然科学版),２０１９,５０(１１):２７５３Ｇ２７６２．[３]金磊磊．面向偏瘫的步态康复训练机器人原地步行系统研究[D 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e e s ,t w o ２０c m p u s h Ｇp u l l r o d s ,S T M ３２s i n g l e c h i p m i c r o Ｇc o m p u t e r ,p r e s s u r e s e n s o r ,E MGs e n s o r ,e t c ．T h e s t e e r i n gg e a r s i m u l a t e d t h eh u m a n l e gj o i n t s a n d d r i v e d t h e t r u nk t om a k el e g r a i s i n g ,f o o t r a i s i n g ,s t a n d i n g s t i l l a n do t h e r a c t i o n s a n d i f t h e r ew a s a n a c c i d e n t ,t h e a l a r mb u t t o nw o u l db e p r e s s e dt os t o p th e r o b o tm o v e m e n t a n da na l a r m g i v e na t t h e s a m e t i m e ．T h es t e e r i n gg e a rh a dt h r e ea d j u s t a b l es p e e d s ．A f t e rac e r t a i na w a r e n e s s ,t h e p a s s i v e t r a i n i n g w a s c h a n g e d i n t o a c t i v e t r a i n i n g b y a c t i v e l y l i f t i n g t h e l e g a n d t o u c h i n g t h e p r e s s u r e s e n s o r ．K e y wo r d s :r e h a b i l i t a t i o n r o b o t ;m e c h a n i c a l s t r u c t u r e ;S T M ３２s i n g l e c h i p c o m p u t e r ;p r e s s u r e s e n s o r ;e l e c t r o m y o g r a p h y se n s o r ５６第５期姚威威:双腿康复机器人设计。
机器人控制系统设计机器人控制系统设计是机器人研发的关键环节之一。
一个优秀的控制系统可以确保机器人能够准确地感知环境、自主决策、有效地执行任务，提高机器人的整体性能和智能化水平。
本文将从以下几个方面探讨机器人控制系统设计。
一、引言随着人工智能技术的不断发展，机器人已经广泛应用于生产、生活、医疗等诸多领域。
机器人控制系统是机器人的核心部分，它负责接收传感器输入的信息，根据预设的程序或算法进行处理，并产生相应的控制信号，以控制机器人的行动。
因此，设计一个性能优良的机器人控制系统，对于提高机器人的智能化水平和工作效率具有至关重要的意义。
二、系统架构机器人控制系统的架构通常包括以下几个主要组成部分：1、传感器接口：用于接收来自传感器的信息，包括环境感知、自身状态等传感器数据。
2、信息处理单元：对接收到的传感器数据进行处理和分析，提取有用的信息以供控制系统使用。
3、决策单元：根据信息处理单元输出的信息，做出相应的决策和控制指令。
4、执行器：接收决策单元发出的控制信号，驱动机器人执行相应的动作。
5、电源管理单元：负责整个控制系统的电源供应，确保系统的稳定运行。
这些组成部分通过一定的通信协议和接口相互连接，形成一个完整的控制系统架构。
三、算法设计机器人控制系统的算法设计是实现系统功能的核心环节。
根据不同的控制需求，需要选择和设计合适的算法。
以下是一些常用的算法：1、决策算法：根据机器人的感知数据和预设规则，做出相应的决策和控制指令。
常见的决策算法包括基于规则的推理、模糊逻辑等。
2、路径规划算法：在给定起点和终点的情况下，计算出机器人从起点到终点的最优路径。
常用的路径规划算法包括基于搜索的方法（如A*算法）、基于网格的方法（如Dijkstra算法）和基于启发式的方法（如遗传算法）等。
3、运动控制算法：根据机器人的运动学模型和动力学模型，控制机器人的运动轨迹和姿态。
常用的运动控制算法包括PID控制、鲁棒控制、自适应控制等。
《基于共轴球面并联机构的手腕康复机器人研制》篇一一、引言随着人口老龄化的加剧和人们生活方式的改变，手腕康复治疗需求日益增长。
传统的手腕康复治疗方法主要依靠物理治疗师的手动操作，然而，这种方法效率低下，难以满足大量患者的需求。
因此，研发一种高效、便捷的手腕康复机器人成为当务之急。
本文将重点介绍基于共轴球面并联机构的手腕康复机器人的研制。
二、共轴球面并联机构概述共轴球面并联机构是一种新型的机器人运动机构，具有结构紧凑、运动灵活、控制精度高等优点。
该机构由多个共轴球面组成，通过并联的方式实现手腕的多个方向运动。
这种机构能够模拟人手的多维度运动，对于手腕康复机器人来说具有很大的应用潜力。
三、手腕康复机器人设计（一）设计思路手腕康复机器人的设计主要考虑以下几个方面：安全性、舒适性、运动范围和治疗效果。
在共轴球面并联机构的基础上，我们设计了一款适用于手腕康复的机器人。
该机器人能够根据患者的具体情况，提供个性化的康复治疗方案。
（二）结构设计手腕康复机器人的结构主要包括共轴球面并联机构、驱动系统、控制系统等部分。
其中，共轴球面并联机构是实现手腕多维度运动的关键部分，驱动系统负责驱动机构的运动，控制系统则负责实现机器人的精确控制。
（三）功能实现手腕康复机器人能够模拟人手的多维度运动，帮助患者进行手腕的屈伸、旋转等运动。
同时，机器人还能够根据患者的具体情况，提供个性化的康复治疗方案，如力量训练、协调训练等。
此外，机器人还具有安全保护功能，能够在患者运动过程中提供必要的支撑和保护。
四、实验与结果分析（一）实验方法为了验证手腕康复机器人的效果，我们进行了多组实验。
实验对象包括不同年龄段、不同病情的患者。
在实验过程中，我们记录了患者的康复情况、治疗效果等数据。
（二）结果分析通过实验数据的分析，我们发现手腕康复机器人具有以下优点：一是能够有效地帮助患者进行手腕的多维度运动；二是能够根据患者的具体情况提供个性化的康复治疗方案；三是具有较高的安全性，能够在患者运动过程中提供必要的支撑和保护。
可穿戴式上肢康复机器人结构设计
首先，可穿戴式上肢康复机器人的结构设计需要考虑到机器人与人体上肢的接触和运动自由度。
通常情况下，机器人与人体上肢通过关节连接实现接触和协同运动。
因此，机器人的关节设计需要满足机械性能和可调节性的要求。
常见的关节结构有旋转、球面和平行联动等。
在机器人与人体上肢之间设置柔性关节和弯曲传感器可以增加机器人与人体上肢的适应性和灵活性。
其次，可穿戴式上肢康复机器人的结构设计还需考虑到机器人与人体上肢的固定和稳定性。
为了保证机器人与人体上肢的接触稳定，机器人的固定结构可以采用腕带或手套等装置。
此外，机器人与人体上肢的运动稳定性也需要通过控制算法进行控制，以避免不必要的运动或碰撞。
最后，可穿戴式上肢康复机器人的结构设计还需要考虑到机器人的负载和能源供应。
机器人的负载是指机器人能够承受的最大重量，需要根据人体上肢的生理特征和康复需求进行合理设置。
机器人的能源供应可以采用电池或外部供电等方式，以确保机器人能够长时间工作而不中断。
综上所述，可穿戴式上肢康复机器人的结构设计需要兼顾机器人与人体上肢的接触和运动自由度、固定和稳定性，以及负载和能源供应等方面的要求。
通过合理设计和优化，可以实现机器人与人体上肢的协同运动，提高康复效果。
未来，随着科技的进步和创新，可穿戴式上肢康复机器人的结构设计还将不断发展和完善，为康复治疗提供更多可能性。
康复机器人的系统设计 哈尔滨工程大学本科生毕业论文 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 [1]患者，这类患者多数伴有偏瘫症状。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 哈尔滨工程大学本科生毕业论文 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 哈尔滨工程大学本科生毕业论文 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。
[3][4]图1.1 步行训练机 图1.2 悬挂式步行训练机 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 哈尔滨工程大学本科生毕业论文 图1.3 MGT型康复机器人 图1.4 LOKOMAT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1.5 robotic gait rehabilitation 系统在试验中 4 哈尔滨工程大学本科生毕业论文 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 [8]外骨骼‖（BLEEX），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1.6 BLEEX 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 [9]一种商业外骨骼机器人(Hybrid Assistive Leg，HAL)(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 [9]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‖(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 哈尔滨工程大学本科生毕业论文
图1.7 HAL机器人 图1.8 Power Assist Suit 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 哈尔滨工程大学本科生毕业论文 图1.9 NPH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 哈尔滨工程大学本科生毕业论文 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 哈尔滨工程大学本科生毕业论文 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
