下肢康复机器人的设计与仿真分析 (1)

下肢助残训练机器人设计与仿真分析
张同瓒;卢绍田;王成军;何祎文
【期刊名称】《机械工程师》
【年(卷),期】2024()4
【摘要】针对下肢瘫痪的患者由于肌肉萎缩等原因,需要通过自行锻炼肌肉恢复健康的问题,提出一种可穿戴的下肢助残训练机器人的设计方案,该方案通过机械装置辅助患者下肢的髋、膝、踝等关节部位的训练。

基于市场调研与国内外研究现状,并参考亚洲人下肢的身体尺寸,设计了下肢助残训练机器人用于患者的康复训练,并利用仿真分析软件进行仿真分析,得到了该机器人模型主要关节的运动学参数与静力学参数。

研究结果表明:该下肢助残训练机器人结构设计具有较高的可行性,可实现患者下肢肌肉康复。

【总页数】5页(P86-90)
【作者】张同瓒;卢绍田;王成军;何祎文
【作者单位】安徽理工大学人工智能学院
【正文语种】中文
【中图分类】TP242
【相关文献】
1.下肢康复训练机器人机构运动分析与仿真
2.脚踏式下肢康复训练机器人结构设计及运动学仿真
3.一种新型三自由度下肢康复训练机器人步态机构运动分析及仿真
4.
床边下肢康复机器人结构设计与仿真分析5.下肢康复训练机器人运动学分析及ADAMS仿真
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单腿多自由度下肢康复机器人设计摘要：随着人口老龄化问题的日益突出，下肢康复机器人在康复领域的应用越来越受到关注。

本文以单腿多自由度下肢康复机器人为研究对象，主要研究其设计原理和控制方法。

通过分析康复过程中的关节角度和力矩变化规律，确定了机器人的设计要求。

然后，根据机器人的结构特点，设计了机械结构和传动系统。

通过控制算法实现了机器人的运动控制和力矩控制。

实验结果表明，设计的单腿多自由度下肢康复机器人可以有效辅助患者进行康复训练。

第一节：引言近年来，随着全球人口老龄化问题的加剧，慢性病和运动系统疾病的发病率不断上升。

这些疾病会导致下肢肌肉和关节功能的丧失，给患者的日常生活带来很大困扰。

常规的康复训练方法往往需要人工操作和监督，效率低下且易产生疲劳。

研发一种可靠、高效的下肢康复机器人对于改善患者的康复效果至关重要。

第二节：设计原理单腿多自由度下肢康复机器人可以模拟人体关节的运动，并通过控制力矩来辅助患者进行康复训练。

根据康复过程中的关节角度和力矩变化规律，确定机器人的设计要求。

具体包括：1）机器人需要具备足够的运动范围和灵活性，以满足不同患者的康复需求；2）机器人需要具备较高的精度和稳定性，以保证康复训练的效果；3）机器人需要具备一定的力矩输出能力，以辅助患者进行运动训练。

第三节：机械结构设计根据机器人设计要求，设计了一种基于驱动腿和运动平台的机械结构。

驱动腿由关节和驱动器组成，可以模拟人体膝盖、踝关节和脚踝的运动。

运动平台由运动支架和底座支架组成，可以提供稳定的支撑。

驱动腿和运动平台通过传动系统连接，实现关节的运动。

传动系统采用电机和减速器，可以实现高精度的运动控制。

第四节：控制方法为了实现机器人的运动控制和力矩控制，采用了基于PID控制器的闭环控制方法。

通过传感器获取机器人关节的角度和力矩信息，并将其作为反馈信号输入到PID控制器中。

通过调节PID控制器的参数，可以实现机器人的运动控制和力矩控制。

单腿多自由度下肢康复机器人设计一、引言随着人口老龄化和慢性病的不断增多，肢体残疾和运动障碍等康复需求也在不断增加。

这就要求开发出高效、智能、安全和可靠的康复辅助设备，以提供良好的康复治疗效果。

本文旨在设计并制造一款单腿多自由度下肢康复机器人，通过对患者下肢的多角度、多向度训练，从而帮助患者快速、稳定地恢复下肢功能。

二、相关工作然而，这些机器人在设计时普遍存在着臃肿、复杂、昂贵等问题。

此外，由于患者个体差异、康复需求等因素，部分机器人对患者自由度和适应性要求较高，使得机器人在实际康复中的应用存在着一定的局限性。

因此，为了更好地满足康复需求并提高机器人的使用效率，本文提出设计制造一款单腿多自由度下肢康复机器人。

三、系统结构设计3.1 机器人结构本文所设计的机器人采用四电机驱动的机械臂结构，可以提供沿x、y、z三轴和旋转轴的运动自由度，同时具有非常好的运动灵活性和稳定性。

具体的结构如图1所示。

机器人主要由步态训练平台、运动臂、时序控制器、嵌入式系统和人机交互界面等部分组成。

步态训练平台是机器人的支撑平台，可以根据患者身高、体型、康复需求等因素进行调整。

同时，该平台还配备有压力传感器和陀螺仪等传感器，可以实时监测患者的脚部压力和身体平衡情况，并据此进行反馈控制。

运动臂是机器人的重要执行部分，由四电机通过传动机构和减速器驱动，可以控制机械臂的8个自由度运动。

具体包括三个平移自由度和五个旋转自由度。

其中，平移自由度包括x、y、z三个方向的运动，旋转自由度包括三个旋转轴的转动和两个关节的伸缩。

通过这些自由度的组合，机器人可以实现多样化的运动训练。

时序控制器是机器人的控制核心，负责协调各个电机的运动状态和控制操作。

为了实现高精度、高速的控制，本文采用了PID控制方法，并在控制算法中引入了运动轨迹规划和人机交互等技术，以增强机器人的运动控制能力和使用便利性。

嵌入式系统是机器人的数据采集和处理部分，可以实时记录患者的运动信息和康复效果，并通过无线网络和云端交互实现数据分析和远程监控等功能。

单腿多自由度下肢康复机器人设计
随着科技的发展，康复机器人已经成为了康复领域的一种重要手段。

在肢体康复中，
下肢康复机器人可以帮助患者进行步态训练、肌力恢复等。

传统的下肢康复机器人存在着
只能进行简单运动、运动范围受限等问题。

为了解决这些问题，本文提出了一种单腿多自
由度下肢康复机器人的设计方案。

该机器人由机械结构和控制系统两部分组成，机械结构包括腿部机械，底座和运动平台，控制系统包括传感器和控制算法。

机械结构设计需要实现多自由度的运动。

腿部机械应该能够模拟人体下肢关节的运动，并提供足够的自由度。

底座和运动平台需要提供稳定的支撑和调整。

这样可以使患者能够
在机器人中进行各种姿势的运动训练。

控制系统设计要能够根据患者的运动情况进行实时调整。

传感器可以采集患者的运动
数据，并将其传输给控制算法。

控制算法根据传感器数据进行分析和计算，然后生成适合
患者康复的运动模式。

通过不断的反馈调整，患者可以得到更好的康复效果。

为了提高机器人的易用性和安全性，还可以添加人机交互界面和安全保护机制。

人机
交互界面可以使患者和医护人员方便地进行机器人的操作和监控。

安全保护机制可以对患
者进行实时监测，一旦发现异常情况，机器人可以立即停止运动，以保障患者的安全。

单腿多自由度下肢康复机器人的设计需要考虑机械结构和控制系统两个方面。

合理的
机械结构设计和控制系统设计可以使机器人具备更好的运动范围、控制精度和安全性，从
而提高康复效果。

单腿多自由度下肢康复机器人设计【摘要】单腿多自由度下肢康复机器人设计是为了帮助行动不便的患者进行康复训练。

本文首先介绍了背景，解释了为什么需要这样的机器人，并阐述了研究的目的。

接着详细介绍了机器人的设计原理、设计要素分析、结构设计、控制系统设计以及运动学和动力学分析。

讨论了该机器人的实际应用前景和未来发展方向，并总结了整篇文章的重点。

通过本文的阐述，读者可以了解单腿多自由度下肢康复机器人的设计原理和关键技术，以及它在康复医学领域中的潜在价值和未来发展趋势。

【关键词】单腿多自由度、下肢康复、机器人设计、原理、设计要素、结构设计、控制系统设计、运动学、动力学分析、实际应用前景、未来发展方向、总结1. 引言1.1 背景介绍近年来，随着人口老龄化和交通事故频发，下肢功能障碍患者人数逐渐增加。

下肢功能障碍会严重影响患者的生活质量和社会参与能力，因此康复训练成为他们重要的治疗手段之一。

传统的康复训练主要依靠康复治疗师进行手动指导，存在人力成本高、效率低等问题。

研究与开发一种高效、智能的康复机器人成为当前的研究热点之一。

目前市面上的下肢康复机器人大多只能完成简单的直线运动，缺乏多自由度运动以及对关节轨迹的控制。

特别是在单腿康复训练中，需要考虑到姿态稳定性和平衡性的问题，提高机器人的适用范围和康复效果。

设计一款单腿多自由度下肢康复机器人成为当前工程师们亟需解决的挑战之一。

通过更精准的关节角度控制和动作规划，更好地符合患者个体康复需求，提高康复训练的效果和效率。

1.2 研究意义单腿多自由度下肢康复机器人是一种专门用于康复训练的机器人系统，具有重要的研究意义。

单腿多自由度下肢康复机器人能够为下肢受伤或残疾患者提供有效的康复训练，帮助他们恢复行走功能，提高生活质量。

通过研究单腿多自由度下肢康复机器人的设计和控制，可以深入探究人体下肢运动学和动力学特性，为机器人技术在医疗康复领域的应用提供理论支持。

单腿多自由度下肢康复机器人的研究还有助于推动机器人技术在康复医学领域的发展，为未来智能康复机器人的设计和应用打下基础。

下肢外骨骼康复机器人控制系统设计与研究一、本文概述随着科技的不断进步，医疗康复领域迎来了前所未有的发展机遇。

下肢外骨骼康复机器人作为一种辅助人体行走、促进康复的重要设备，其设计与研究具有重要的实践意义和理论价值。

本文旨在探讨下肢外骨骼康复机器人的控制系统设计，包括硬件构成、软件编程以及运动控制策略等方面，以期为提高康复效果、促进患者康复进程做出贡献。

本文首先介绍了下肢外骨骼康复机器人的研究背景和发展现状，阐述了其在医疗康复领域的应用前景。

随后，详细分析了下肢外骨骼康复机器人控制系统的设计要求和技术难点，包括机械结构设计、传感器选型与配置、运动学建模与控制算法设计等方面。

在此基础上，本文提出了一种基于人机交互的下肢外骨骼康复机器人控制策略，以实现精准的运动轨迹控制和个性化康复治疗。

接下来，文章重点阐述了下肢外骨骼康复机器人控制系统的设计与实现过程。

介绍了控制系统的硬件构成，包括主控制器、驱动器、传感器等关键部件的选型与配置。

然后，详细描述了控制系统的软件编程，包括运动学建模、控制算法实现、人机交互界面开发等方面。

通过实验验证和临床应用测试，评估了所设计的控制系统的性能和效果。

本文的研究成果不仅为下肢外骨骼康复机器人的设计与研究提供了有益的参考，也为医疗康复领域的技术创新和发展提供了新的思路和方法。

未来，我们将继续深入研究下肢外骨骼康复机器人的控制策略和技术应用，以期为患者提供更加高效、个性化的康复治疗方案。

二、下肢外骨骼康复机器人基础理论下肢外骨骼康复机器人作为一种辅助人体下肢运动的医疗设备，其基础理论涉及多个学科领域，包括生物力学、机器人技术、控制理论以及人机交互等。

生物力学基础：生物力学是研究生物体在力学作用下的反应和适应的科学。

在下肢外骨骼康复机器人的设计中，必须充分理解人体下肢的生物力学特性，包括骨骼结构、肌肉力量分布、关节运动范围等。

这些特性为机器人设计提供了重要的参考依据，确保了机器人在辅助人体运动时能够符合生物力学规律，避免对人体造成不必要的损伤。

2023全国百校工业设计毕业作品专刊-下｜健康医疗041设计DESIGN业设计系主任，入选浙江省高校领军人才培养计划。

主持国家自科基金、国家社科基金等项目10项；发表论文60余篇；获中国商业联合会科学技术特等奖、红点至尊奖。

导师点评：脑性瘫痪是儿童致残率最高的先天性疾病，发病率高达1.8%〜4%，患儿由于神经性损伤，会出现肢体运动障碍，严重影响日常生活质量。

目前，面向脑性瘫痪儿童的康复模式存在康复依靠人力且康复师资源不足，康复价格高昂，效率低等缺陷，康复场景拓宽成为康复模式优化的主要目标。

康复场景的拓宽需要依托智能康复设备，市面上成熟的康复机器人产品均面向成人，可供成人在家庭、社区等场景下进行康复，而专为儿童设计的康复机器人产品仍未落地使用，缺乏满足儿童生理、心理需求的康复产品。

此外，康复训练的过程枯燥乏味，患儿存在注意力不集中、产生抵触心理等影响康复效率的负面情绪。

在此背景下，本课题针对具有肢体运动障碍并处于康复后期的神经损伤疾病儿童，设计一款下肢康复外骨骼机器人产品。

本课题设计一款面向儿童用户的下肢康复外骨骼产品，包括符合儿童人机尺寸的下肢外骨骼硬件和交互式的趣味康复训练系统。

通过人机交互的闭环控制系统，同时满足主被动康复训练模式，并辅助以游戏化的康复流程以及实时生理数据反馈康复进程，实现辅助康复产品智能化、个性化的康复训练。

作者在设计前期首先采用文献研究法，通过大量的相关背景文献了解目前儿童康复外骨骼研究现状和主被动康复训练的流程研究现状，将虚拟现实和增强现实技术应用于康复运动领域的发展现状，以及康复领域人机交互的相关技术知识，并对目前的儿童康复运动类产品进行同类竞品调研，分析目前市面上产品共性和特性的问题，总结和归纳儿童产品设计过程中需要注意的内容以及产品的形态色彩特征规律。

其次，通过用户观察和用户访谈法，对目标用户的行为习惯、用户体验进行归纳总结，分析得出课题需要解决的核心痛点问题和用户需求，以及本课题相关的人机交互规范，总结出合理的康复训练流程。

单腿多自由度下肢康复机器人设计单腿多自由度下肢康复机器人是指一种能够实现针对下肢特定关节的运动干预的机器人。

传统下肢康复机器人通常只能模拟人体关节的运动，缺乏对下肢不同关节的分别干预能力。

而单腿多自由度下肢康复机器人通过具备多运动自由度的机械结构，可以更加精细地模拟和干预人体不同关节的运动。

在单腿多自由度下肢康复机器人的设计中，机械结构是关键。

机械结构应具备足够的运动自由度以模拟人体下肢的运动，并能够快速、精确地调整运动参数。

机械结构应保证机器人的稳定性和安全性。

一种常见的机械结构是基于串联机构的设计，通过连接多个旋转关节来实现多自由度的运动。

机械结构还需要考虑人体工程学因素，以确保机器人可以与患者的下肢良好地接触并提供合适的运动干预。

在机械结构的基础上，单腿多自由度下肢康复机器人还需要具备完善的控制系统。

控制系统应能够实时获取患者下肢的姿态信息，并根据预设的康复方案进行运动干预。

控制系统通常包括传感器、执行器和控制算法。

传感器用于捕捉患者下肢的姿态信息，常用的传感器包括陀螺仪、加速度计和力传感器等。

执行器用于控制机器人的运动，常用的执行器包括电机和气动缸等。

控制算法用于实现机器人的运动规划和控制，常用的控制算法包括PID控制和模糊控制等。

除了机械结构和控制系统，单腿多自由度下肢康复机器人还需要具备人机交互界面。

人机交互界面是患者与机器人进行交互的接口，一种常见的人机交互界面是虚拟现实技术。

通过虚拟现实技术，患者可以沉浸在一个虚拟的康复环境中，提高康复的效果和乐趣。

人机交互界面还可以提供实时的康复进度和指导，帮助患者更好地进行康复训练。

在单腿多自由度下肢康复机器人的设计中，还需要考虑患者的适应性和安全性。

机器人应能够适应不同患者的康复需求，并能够根据患者的康复状况进行自适应调整。

机器人还应具备足够的安全性能，以避免对患者造成进一步的损伤。

机器人应具备安全监测和保护机制，能够及时检测到异常情况并采取相应的安全保护措施。

单腿多自由度下肢康复机器人设计随着人类生活水平的提高和人口老龄化问题的突出，康复机器人被广泛应用于康复治疗领域。

目前，康复机器人技术已经取得了显著的进展，但随着人们对康复需求的不断增加，传统的康复机器人已经不能满足人们的需求。

开发一种单腿多自由度下肢康复机器人成为了当前的研究热点之一。

本文将介绍一种新型的单腿多自由度下肢康复机器人的设计。

该机器人具有较高的灵活性和鲁棒性，能够有效地进行下肢康复训练，并且具有较好的可控性和人机交互性。

本文首先介绍了康复机器人的研究背景和意义，然后对单腿多自由度下肢康复机器人的设计思路进行了详细的阐述，包括机械结构设计、控制系统设计和人机交互设计等内容。

1. 研究背景和意义随着人口老龄化问题的日益严重，下肢功能障碍成为了一个常见的问题。

下肢功能障碍严重影响了患者的生活质量，给患者和家庭造成了巨大的心理和经济负担。

下肢康复治疗成为了一个迫切需要解决的问题。

传统的下肢康复治疗主要依靠医生和康复师进行手动治疗，效果有限并且耗费人力物力。

康复机器人技术的应用有效地解决了这一问题，为下肢功能障碍患者提供了一种更加有效和便捷的治疗方式。

开发一种具有高度灵活性和可控性的单腿多自由度下肢康复机器人成为了当前的研究热点之一。

2. 设计思路单腿多自由度下肢康复机器人的设计是一个复杂的系统工程，需要兼顾机械结构设计、控制系统设计和人机交互设计等多个方面。

在本文中，我们将主要从以下几个方面进行设计：2.1 机械结构设计机械结构设计是康复机器人设计的核心部分。

单腿多自由度下肢康复机器人需要具有较高的灵活性、鲁棒性和承载能力，以满足不同患者的康复需求。

在机械结构设计中，我们采用了一种轻量化的材料结构，以提高机器人的灵活性和韧性。

我们还采用了一种新型的关节传动结构，以提高机器人的承载能力和精度。

为了提高机器人的可靠性和安全性，我们还设计了一种多重安全保护系统，以防止机器人运行中的意外事故发生。

2.2 控制系统设计控制系统设计是机器人设计的另一个重要方面。

脑机接口下肢康复机器人的设计与应用摘要：随着时代发展，残疾人群体的社会保障以及康复治疗等，越来越得到重视。

但是，目前市面上主流下肢康复机器人智能化水平低，仅能简单动作互动性能差。

为此，本文设计并介绍了一种基于脑机接口的下肢康复机器人，通过对运动缺陷症状进行分析，建立下肢康复机器人运动学与动力学模型，同时，利用脑机接口收集病人数据，对数据进行处理反馈给控制系统，实现对下肢康复机器人的控制。

关键词：下肢康复机器人、脑机接口、结构设计、智能仿生机械设备0引言全球有超过10亿的残疾人，其中6亿在亚洲，而目前中国的残疾人口达到8500万[1]。

长期的卧床会对这些人群带来生理及心理上的危害。

文章设计的脑机接口下肢康复机器人，结合了人体工学，在机械结构上设计了更具柔性、与人体关节匹配程度更高的固定装置。

半自动可调节的髋关节、膝关节及踝关节的连接支架使得机器人适用于每个穿戴者的关节位置和不同腿型。

这个算法提高了对步态相位预测的辨识度。

并有效提升了下肢外骨骼机器人系统的实时性、稳定性、提出的步态预测与识别模型可以帮助步态识别任务克服实际应用场景中的困难。

为使得穿戴装置更加舒适，我们还为辅助机器人增加了可拆卸的按摩模块，可由穿戴者随时随时任意使用。

1下肢康复机器人建模相比于市面上现有的按摩椅和康复机器人，本设计将二者功能进行了整合。

在机械结构上对人体做了针对性的设计，在大部分与身体接触的部位根据材料力学特性选用了织物或者是橡胶，避免人体对硬度较高的设备产生排斥。

此外，由于每个穿戴者的关节位置以及腿型不同，且残疾群体下肢骨骼、肌肉均有不同程度的功能性退化，所以在机械结构上需要柔性及关节的匹配程度要更高，本设计对髋关节、膝关节及踝关节的连接支架上均设计成可调节，通过传感器及操控面板能够半自动的调节至穿戴者舒适的位置。

可拆卸的按摩模块是本设计亮点之一，当穿戴者行走训练累了，坐下充电时可安装此模块，进行进一步的按摩康复。

功能一（辅助行走）：穿戴上设备后，能通过半自动的方式将设备关节匹配到不同使用者的关节位置。

下肢外骨骼机器人动力学分析及设计下肢外骨骼机器人是一种可穿戴的机器人装置，用于协助、增强下肢功能。

它可以帮助行动有困难的人恢复行走能力，并减少肌肉疲劳，预防康复训练中的二次损伤。

下肢外骨骼机器人的设计需要考虑动力学分析，以确保装置能够提供合适的力学支持和协助运动，本文将从动力学分析和设计两个方面进行详细介绍。

首先，动力学分析是下肢外骨骼机器人设计的重要一环。

在运动学分析的基础上，动力学分析主要包括对关节力矩、关节角加速度、节段质量和重心位置等参数的计算和优化。

通过动力学分析，可以确定下肢外骨骼机器人在不同动作状态下所需的力矩和力量，从而为后续的机械设计提供参数参考。

其次，下肢外骨骼机器人的设计需要考虑机械结构、驱动系统和传感器系统等方面。

机械结构设计需要根据人体运动学原理，确定骨骼装置的连接方式、关节设计和腿部外壳材料等，以确保其具备符合人体工学要求的功能和舒适度。

驱动系统设计中需要考虑驱动电机的选择和布局，以及驱动传动装置的设计，以确保机器人能够提供合适的力量和速度。

传感器系统设计中需要考虑使用压力传感器、角度传感器和力传感器等多种传感器，以获取人体运动状态和力矩变化，进一步改善驱动系统的性能。

此外，下肢外骨骼机器人的控制策略也是设计的重要一环。

控制策略应该根据动力学分析的结果，结合传感器获得的数据，实现合适的力量输出和动作控制，提供舒适的运动支持。

常见的控制策略包括基于位置、力矩和运动感知的控制方法，可以根据具体需求进行选择。

同时，控制系统还需要考虑实时性和稳定性，以提供适应性的支持。

总结起来，下肢外骨骼机器人的设计需要从动力学分析和设计两个方面综合考虑。

动力学分析可以提供关节力矩、关节角加速度、节段质量和重心位置等参数参考；设计方面需要考虑机械结构、驱动系统和传感器系统等要素，以提供合适的力学支持和动作控制。

通过综合考虑这些因素，可以设计出性能优异、舒适可靠的下肢外骨骼机器人，为行动不便的人群提供有效的康复支持。