论文总字数：32233字

摘 要

论文研讨了康复训练机器人的国内外研究现状，在对人体实际运动特征、康复医学理论以及人因工程相关技术要求分析的基础上，提出了一种轮椅助行康复机器人设计方案，分别对机器人助起装置、助行机构的安装结构以及轮椅结构进行了详细的设计，并针对设计中存在的问题提出相应的改进方案。对于机器人结构中受力较大的零部件进行受力分析与强度校核，确保足够的安全系数。将助行机构模型简化后建立各个杆件的局部坐标系，并利用D-H坐标与局部坐标系矩阵变换的方法对助行机构进行运动学分析。利用ADAMS软件对助行机构进行运动学与动力学仿真，并对仿真过程中输出的运动特征曲线进行分析。

关键词：康复机器人，助起装置，助行机构，仿真

STRUCTURE DESIGN AND ANALYSIS OF

WHEELCHAIR AIDED REHABILITATION ROBOT

02011114 Su Shiyong

Supervised by Tian Mengqian

Abstract: Clinical trials show that patients with most of the movement disorder can recover the exercise function by the rehabilitation training. This topic is for hemiplegia patient design a wheelchair for rehabilitation training of various machine, the machine have wheelchair function, auxiliary stand and gait training three function modes, three function modes with each other, eventually help patients come to rehabilitation.

The article is about the rehabilitation training robot at home and abroad research present situation, in of actual movement characteristics of the human body, rehabilitation medicine theory and engineering related technical requirements analysis based on proposed a wheelchair for rehabilitation robot design, respectively the robot helps loading device, the installation structure and wheelchair structure, the detailed design, and put forward the corresponding improvement scheme aiming at the problems existing in the design. The mechanical analysis and strength of the mechanical parts in the robot structure are carried out, and the safety factor is ensured. The local coordinate system of each member is established after the simplification of the mechanism. The kinematics of the mechanism is analyzed by using the method of D-H coordinate and local coordinate system matrix transformation. The kinematics and dynamics simulation of the assistant mechanism is carried out by using ADAMS software, and the motion characteristic curve of the simulation is analyzed.

Key words: rehabilitation robot, aid to device, assistant mechanism, simulation

目 录

1、绪论 1

1.1引言 1

1.2课题研究意义及目的 1

1.3国内外研究现状 2

1.4论文主要研究内容 5

2、轮椅助行康复机器人总体方案研究 6

2.1轮椅助行康复训练机器人设计要求 6

2.2轮椅助行康复训练机器人总体结构 6

2.3助起装置的设计 7

2.3.1人体起坐过程分析 7

2.3.2 助起装置的结构设计 8

2.4助行机构的设计 10

2.4.1人体行走过程分析 10

2.4.2助行装置的结构设计 11

2.5轮椅结构设计 14

2.5.1移动底架的设计 14

2.5.2座椅架的设计 15

2.6方案存在的问题与改进思路 16

2.7本章小结 18

3、关键零件设计及校核 19

3.1助行机构缓冲装置中弹簧的计算 19

3.2助行机构连接板强度校核 19

3.3助起装置中圆管强度校核 21

3.4本章小结 22

4、助行机构运动学分析 23

4.1 助行机构模型简化与坐标系建立 23

4.2助行机构运动学分析： 24

4.2.1理论计算 24

4.2.2MATLAB仿真分析 26

4.3本章小结 27

5、基于ADAMS的助行机构运动仿真 28

5.1ADAMS软件介绍 28

5.2 助行机构ADAMS建模与仿真 28

5.3本章小结 36

致 谢 37

参考文献 38

轮椅助行康复机器人结构设计及分析

1、绪论

1.1引言

机器人是指在人的控制下按照人的预期想法完成某项工作的自动化设备。它可以帮助人类完成一些高危的工作。近些年随着科学技术的进步，机器人已经应用到人类生活的各个领域，例如：军事行业、教育行业以及建筑业等。机器人技术是涉及机械工程、人因工程、软件编程、自动化控制以及电子器件等多种技术的综合性学科，因此对于机器人技术的研究有助于多个学科之间的沟通与交流，促进了多学科融合。各个领域对于机器人都有着不同的分类方法，然而单就应用环境来说，可以将机器人分特种机器人和工业机器人两个大类。工业机器人的面向对象都是属于工业领域，包括工业上下料机器人、多自由度机械手等。特种机器人则是指满足人类各种特殊需求的多功能机器人，例如扫地机器人、洗碗机器人等。康复机器人是属于工业机器人和医疗机器人的结合类型，在近些年的研究中发展迅速，很多康复机器人都作为产品运用到医用和康复领域。

康复机器人帮助残疾人或者有运动障碍的患者完成日常生活中不能独立自主完成的动作，同时进行相应的康复训练，使得患者逐渐恢复失去的运动机能。康复机器人主要有两大类：辅助型康复机器人以及康复训练机器人。这里的辅助型康复机器人主要针对于截肢或者某些功能障碍的患者，代替其身体的某一部分完成相应的动作，例如智能假肢、导盲机器人等；而康复训练机器人则是针对暂时性运动功能障碍、需要进行康复训练以恢复身体运动机能的患者，帮助患者完成上肢或者下肢的训练而不需要周围人的搀扶，减轻了家属或者服务人员的压力，训练时可以根据患者实际情况调整训练时间以及训练强度，达到很好的训练效果，例如下肢行走训练机器人等。

1.2课题研究意义及目的

据统计，近几十年来我国60岁以上的年龄人群占总人口数量的比例正逐年递增。而随着老龄人口的不断增多，脑血管疾病的发病患者人数也在呈不断增加的趋势。脑血管疾病最显著的症状就是脑卒中，医学上称为脑血管意外，俗称为中风。据统计：大约有五分之四的中风患者在患病之后会伴随着不同程度的肢体运动功能障碍、偏瘫等，使得患者逐渐失去基本的生活能力，运动机能也在不断的退化，这样给患者及其家人造成了严重的困扰。中风导致的中枢神经损伤会严重影响运动神经的功能，从而造成运动功能障碍。要想恢复受损的运动神经就应该从中枢神经系统的可塑性出发，通过对患者进行间歇性的康复训练来逐渐恢复运动神经的功能，从而达到康复的效果。临床实验表明，大多数的患者可以通过利用康复训练器材进行相应的康复训练，从而部分甚至全部改善恢复之前丧失的功能^[1]。康复机器人涉及到了机器人学、人机工程学、康复医学等多个领域，针对不同种类的患者来进行科学和有效的康复训练，从而使得患者的运动机能得到相对有效的恢复。此外，我国目前对康复训练器材的需求量大，但是市场上能够购买到的自动化康复训练的器材较少，而针对偏瘫病人的康复训练器材更是少之又少。因此，一定程度的康复训练能够使患者受损的运动神经逐渐得到恢复，使患者重新获得自主运动的能力，改善患者的生活，提高整个家庭的生活水平。 偏瘫患者在术后初期的康复训练主要是被动训练，即通过借助外力带动肢体的重复运动，从而促使大脑中枢神经系统的重组和代偿。本课题的目的是针对偏瘫病人设计一款轮椅助行康复训练机器人，该机器人具备轮椅代步功能、辅助站立、步态训练三种功能模式，通过固定于轮椅架的助行机构为患者的行走提供一定的助推力，并进行相应的步态康复训练。该机设计的意义在于通过被动步态康复训练逐渐恢复偏瘫患者受损的运动神经，达到训练下肢运动的功能。该轮椅助行康复训练机器人主要针对于偏瘫病人或者下肢运动障碍患者，也可以用于其他医疗场所。

1.3国内外研究现状

1.3.1国外研究现状:

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