论文总字数：22030字

摘 要

近年来，脑卒中患者数量急剧增加，术后康复训练需求日益增大。人工康复训练成本高且专业护理人员数量有限。康复机器人的出现有效替代了人工康复训练，逐渐发展的康复机器人产业将一步步解决康复训练护理人员数量不足的问题。针对这一需求，本文研制了一款下肢康复机器人，并针对其功能性做了系统研究及有效评价。

基于人体行走步态轨迹的研究确定了该机器人的研究目标，基于平行连杆机构设计该机器人结构，通过Adams仿真得出运动轨迹及运动角度范围验证其符合目标预期，设计人机交互软件、机器人控制软件及控制电路，通过实验验证机器人康复训练有效性。

关键词：康复机器人， 平行连杆机构， 动力学仿真， PID控制

THE ROBOT DESIGNING FOR THE REHABITATIOM

TRAINING OF LOWER LIMBS

Abstract

In recent years, the number of patients with cerebral apoplexy is rapidly increased, and the demand of postoperative rehabilitation training is growing. However, artificial rehabilitation training costs so much and the number of professional nursing staff is limited. The emergence of rehabilitation robot solves this problem effectively, the flourishing rehabilitation robot industry will improve the lack of nursing staff step by step. This paper developed a lower limbs rehabilitation robot to meet the demand, and provided system research as well as effective comments to its functionality.

The research target is determined by a study based on human walking gait trajectories, and the structure of the robot is designed based on parallel link mechanism .The result of the motion trajectory and angle range got from the simulation in Adams was as expected. The software of human-computer interaction, the robot control software and circuit were designed, and the effectiveness of rehabilitation on training was verified by experiment.

KEY WORDS: rehabilitation robot，parallel rod，dynamics simulation，PID

目 录

摘 要 I

Abstract II

目 录 III

第一章 绪 论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状及分析 2

1.2.1 国外研究现状 2

1.2.2 国内研究现状 2

1.2.3 研究现状分析总结 3

1.3 研究的主要内容 3

第二章 下肢康复机器人结构设计 4

2.1 引言 4

2.2 下肢主要尺寸及自由度 4

2.2.1 人体下肢解剖学结构 4

2.2.2 下肢各关节康复要求 5

2.3人体运动步态分析 5

2.4机器人机构设计方案 6

2.4.1机构参数选择 6

2.4.2 适应性系统设计 7

2.4.3 驱动方案设计 9

2.4.4 机械结构设计 9

2.5 本章小结 12

第三章 控制系统软硬件设计 13

3.1 引言 13

3.2 下位机总体方案 13

3.3下位机控制电路设计 13

3.4 下位机软件设计 14

3.5 PC通讯及交互界面设计 15

3.5.1 引言 15

3.5.2 总体方案 15

3.5.3串口通讯设置 16

3.5.4控制界面设计 16

3.6 本章小结 17

第四章 仿真与实验 18

4.1 引言 18

4.2 ADAMS运动学仿真分析 18

4.3 实验结果及分析 20

4.4 本章小结 21

第五章 总结与展望 22

致 谢 23

参考文献（References） 24

第一章 绪 论

1.1 研究背景及意义

从猿人到人类的演化历史中，作为人体最高级器官，人脑功能日臻完善，组织结构也非常复杂。大脑中有数百亿个神经元不停地传递处理着大量的信息，这些信息和人类日常生活息息相关，大到思考、运动，小至呼吸、排泄，人类的一切生命活动都有大脑或直接或间接参与。由于历史演化及社会进步，人类生存状态也随之变化，近年来，人类脑部疾病发病率日益增高，发病年龄不断降低，世界各国中老年脑部疾病患者越来越多，脑部疾病成为威胁人类尤其是中老年生存的重要因素。引起脑部疾病的原因非常多，其中脑血管疾病发病率最高，且即使在发病后存活下来，也容易导致患者局部或全身瘫痪。脑血管疾病是一种脑组织损伤性疾病，致病原因通常为颅内血液循环障碍，其俗称“中风”，发病突然，通常表现为偏瘫、语言障碍等，患者一般为中老年。虽然脑血管疾病发病原因有所不同，但通常脑血管疾病存活后都会导致患者脑部神经组织受到损伤，脑部是人体最高级中枢，脑部神经损伤会产生肢体运动障碍或语言障碍等不良后果。其中大多数患者为肢体运动障碍。

脑血管病患者在发病后会进入一个稳定期，稳定期通常是受损大脑进行自我恢复的过程，但脑部自我修复过程非常缓慢，且不能完全恢复，并且由于患者发病后失去部分肢体运动能力不能自主进行锻炼，脑部神经不能得到刺激，恢复过程更加缓慢。通常由于病后患者长期卧床会导致偏瘫部位血液循环不畅，容易造成失能肢体坏死等进一步损伤。患者长期卧床会导致肌肉关节萎缩及心血管损伤等不良后果。

对于脑卒中病人的术后恢复来说，康复训练具有显著效果。通过对患者的渐进性康复训练可以使其保持一定的运动量，使患者在保持肌肉功能的同时对大脑损伤神经产生刺激，促进损伤神经的恢复。通过运动，血液流通速度加快，保持心血管功能。并且在运动的过程中，患者可以在人工辅助下站起或坐起，使得血液能够改变卧姿时的流动状态，避免了体位性低血压的发生，也可防止身体长时间接触床面而产生褥疮等不良反应。患者接受康复训练的同时，会产生积极的心理作用，对生活不再消极，生活态度乐观向上，从心理上有助于患者的恢复。总体来说，术后康复训练能够非常有效的促进患者的脑部神经恢复，及正常生理功能的保持。

然而，如今术后恢复主要通过人工康复训练的方法进行。由于患者失能严重，通常对于患者的术后康复需要体力较好的护工以及有经验的康复训练医师指导。患者在康复训练过程中需要进行腿部伸展运动，以及翻身坐起等动作，所以对护工体力要求很高。脑卒中患者术后恢复需要渐进有序，强度适中，康复训练方法也需要专业知识，所以对康复训练医师也有较高要求。当前环境下，康复训练医师数量很少，远不能满足数量众多的脑卒中患者的术后康复需求。且由于脑卒中发病会给患者家庭经济带来较大负担，而康复训练价格又相对较高，无疑给家庭困难的脑卒中患者雪上加霜，家庭负担进一步加重，有些患者会因此放弃治疗。人工康复训练成本高，且需求远大于供给，所以仅仅通过人工康复训练来护理脑卒中患者困难较大。在此前提下，康复训练机器人应运而生。

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