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下肢外骨骼康复机器人设计及运动学分析
摘要：下肢运动功能障碍患者为数众多，常规的康复训练高度依赖理疗师，成 本昂贵，常人难以承受。下肢外骨骼康复机器人能有效解决这一社会问题。本文 设计了一个单腿两自由度主动驱动的下肢外骨骼康复机器人。采用过腿部外骨骼上的力传感器，实现了人-机的闭环控制⑺。国内上海璟和研制的Flexbot 机器人实现了多体位的康复训练，病情严重的病人在康复训练初期可以躺着进行康复训练， 待恢复得较好时，可以选择站立式训练［8］。
此外，在独立式下肢康复外骨骼方面，以色列的Rewalk［9］,美国的EKSO［10］,日本的 HAL［11 ］等都是下肢康复机器人中的杰出代表。国内的电子科技大学研制的外骨骼机器人［12］, 北航研制的“大艾'外骨骼机器人［13］也取得了可喜的成绩。
与传统的工业机器人相比，康复机器人的一个突出特点是与人的交互十分频繁。 安全性 舒适性，以及适应各种不同的工作环境是康复机器人需要考虑的重要问题。相反，工业机器 人所需的高精度，高速度等特性在这里要求并不高。因此，设计出具有柔顺性的下肢外骨骼 康复机器人具有重要的意义。
本文将就设计出一套下肢外骨骼康复机器人展开论述。首先，将根据人体下肢结构进行 机器人的机械机构设计，接着进行机构的运动学分析，并使用MATLAB软件对该机构进行仿 真。仿真结果表明该机器人具有协助病人进行康复运动训练的能力。
1 机构模型
机构模型设计 人体结构模型是设计下肢外骨骼康复机器人基础。因此，我们先对人体下肢进行分析。 人体下肢主要有三个关节，分别是髋关节，膝关节，踝关节。髋关节主要有髋臼和股骨组成， 在运动时，股骨绕着髋臼运动，是一个球窝关节。膝关节连接了股骨和胫骨，踝关节主要由 胫骨和腓骨下端的关节面与距骨滑车构成［14］。人体行走过程中，矢状面上的运动占主导地
位。为了机构的简化，我们仅考虑下肢在矢状面上的运动，并把髋、膝、踝关节都简化为铰 链关节。
该下肢外骨骼康复机器人为台架式下肢外骨骼机器人，上方的支架与台架相连接。髋关 节与膝关节之间的连杆与大腿绑定，膝关节与踝关节之间的连杆与小腿绑定。直线驱动器由 直流电机，同步带，滚珠丝杠，以及末端的力传感器组成。同步带，滚珠丝杠等机构把直流 电机的转动转化为直线运动。力传感器能够实时检测到直线驱动器的推力，当推力过大时， 直线驱动器减慢速度或者停止运动甚至向反方向运动，力传感器的加入增加了康复机器人的 柔顺性，避免了机器人对人的伤害。该机构中髋关节和膝关节由两个直线电机主动驱动，踝 关节为被动运动。为了能够适应不同人的腿长，设计了长度调节机构。该调节机构为在调节 机构上下部之间都加工出一系列出通孔，上下两部分通过螺栓连接。通过调节机构下部分与 上部分在不同位置连接，可以改变机构的长度。
机构参数 人体正常步行过程中，髋关节最大屈曲约30°，最大伸展约20°，膝关节最大屈曲约为 65°、最大伸展为0°。踝关节最大背屈约为30°，最大跖屈约为50°[14].我们设计的该机构的 适应人体身高为150mm-，经过运动学解算，我们选择直线驱动器的工 作行程范围如表 1 所示。
根据几何关系：
其中： 首先，进行正运动学分析，这里，电机长度已知，求髋膝关节运动角度. 已知直线电机长