机械毕业设计资料-悬架式下肢外骨骼康复机器人结构设计-开题报告
附件 3
佳木斯大学本科生毕业论文（设计）开题报告
毕业论文（设计）题目 悬架式下肢外骨骼康复机器人结构设计
学院 机械工程学院 学号 班级 开题
日期
专业 机械设计制造
及其自动化
学生
姓名
指导
教师
教师
职称
本
课
题
的
研
究
意
义
（选题依据,课题来源,学术价值及对社会、经济发展和科技进步的意义）：
1 研究背景
如今，社会正慢慢步入老龄化时期，老龄人的问题带来的压力慢慢加重在社会和家庭上。随着
年龄的增长，许多人的身体素质和健康状态逐渐下降。中风偏瘫是老年人中最常见的疾病，范围从
步态变形到卧床不起，严重者甚至失去了生活自理能力[1]。此外，道路事故和运动损伤等患者的数
量也逐渐增加。根据第二次全国残疾人抽样调查数据显示，中国残疾人总数约为 8300 万，其中包
括约 2400 万腿部残疾者[2]。由于道路事故、身体疾病和其他原因，全国的残疾人人数趋于迅速增
加，预计腿部残疾成员的数量远远超过上肢残疾的数量。然而，中国只有近 2000 家服务机构开展
肢体残疾康复。由于严重缺乏康复设施和专业物理治疗师，只有 36.7 万名身体残疾患者接受了康复
治疗。患者的步态因治疗不当或治疗过晚而变形，甚至因关节僵硬，运动控制极差等原因，导致在
行走过程中易发生摔倒状况，直接影响患者的生活质量[3]。
康复训练是基于神经重塑机制的康复技术[4]。传统的康复训练主要依靠康复治疗师操作患者的
下肢达到训练目的。这种训练方式不仅费时费力，使得康复训练的精度受到限制，而且高强度的重
复性康复训练也给理疗师的体力带来巨大挑战[5]。另外，考虑到护理康复治疗的效率低，且需要医
护人员全程陪护的现状，不免占用了大量宝贵的医护资源。随着下肢运动障碍人数的不断增加，目
前的人工康复医疗系统已经不能满足社会的需求[6]。针对下肢步行训练的助行机器人的研究也越来
越受到社会的广泛关注。下肢康复机器人不仅能够帮助更多的下肢运动障碍患者进行康复训练、提
高他们的生活质量，还能有效地缓解康复医疗资源供需矛盾的状况[7]。
综上所述，下肢康复机器人在研究和实践中均具有价值，于是针对下肢康复机器人的探究已
成为近年来的重要研究方向。目前，我国的康复医疗领域正处于起步发展阶段。由于下肢残疾患者
数量众多，而康复医疗师数量不足，同时康复设备水平也相对落后，这一矛盾日益突出。因此，研
发一种具有康复训练功能的下肢康复 机器人，并将其应用于医疗市场，具有非常重要的现实意义。
2 研究现状
2.1 国外研究现状
瑞士的HOCOMA 公司和Balgrist 康复医疗中心合作开发了一款名为 LOKOMAT 的步态康复机
器人[8]，旨在让残疾患者在跑步机上进行主动康复训练,如图1所示。该机器人分别由两个腿部构
成，每条腿都有两个自由度，可以进行髋关节和膝关节的屈伸运动。这些特性让它能够模拟人类的
双腿运动，并且为下肢运动受损者提供全面和个性化的康复治疗。此外，机械腿杆长度可以根据患
者身高的不同而进行调节，以保证机器人能够适应不同的人体尺寸。为了实现患者的主动和被动康
复训练，该机器人在控制策略方面也非常多样化，包括阻抗控制、PD 控制和自适应控制等。经过实
验证明，这些控制策略是有效的[9, 10]。
NaTUre.gaits 是南洋理工大学开发的一款康复训练机器人[11, 12],如图2所示，这个机器人有 14
个自由度，其中 9个是主动自由度，包括骨盆的上下前后移动、双侧髋、膝、踝关节的运动，以及平
台的移动。这些特性使它能够提供更全面、多样化的康复治疗，帮助下肢运动功能障碍患者恢复行
动能力。该机器人由电机驱动，配合减重机进行平地行走康复训练，并且能够实现骨盆、平衡和步
态控制。尽管该机器人能够进行步态辅助运动，但目前只能按照预先设定好的步态轨迹进行康复训
练。临床实验表明，NaTUre.gaits 能够有效地进行康复训练，并提高康复效果。
图1 康复机器人 LOKOMATR 图2 康复训练机器人 NaTUre.gaits
美国研制的 NUSTEP 康复器提供了一种下肢康复训练的新思路[13]，改康复器如图3所示，该
训练器采用上肢带动下肢、健侧带动患侧的训练模式，既增加了患者的主动训练积极性，又可以保
证训练的安全性。
西江大学设计了一款针对下肢特定肌肉群进行力量训练的 EXOWheel 机器人，康复训练机器
人[14]，如图4所示，通过优化算法将最佳训练负荷作用于下肢肌肉，使下肢沿预定轨迹进行康复
训练，提高了训练效率[15]。
Kim 等人[16]提出了一种模块化的膝关节外骨骼机器人，如图5所示，该装置通过使用四杆机构
实现了真实人体膝盖的多中心运动，其质量仅3.5kg。通过使用用户鞋垫中的力敏电阻器（FSR）、
机器人膝关节上的扭矩传感器和电机中的编码器得到了人体的运动意图。
德国Thera 公司研制了一款名为 CAMOped 的下肢康复训练器[17]，如图6所示，该训练器依靠
患者自身健康的下肢带动患肢作康复训练，能极大提高患者的体验感。目前，CAMOped 已被医院
和康复中心广泛使用。
图3 NUSTEP康复器 图4 EXOWheel机器人
图5 膝关节外骨骼机器人 图6 CAMOped 下肢康复训练器
日本筑波大学 Cybernic 实验室研发的 HAL 系列康复辅助机器人[22,23]，如图1-7 所示，旨在辅
助下肢运动障碍患者和年老体弱者实现正常行走[18-20]。HAL-3 代下肢外骨骼机器人，具有四个主动
自由度，分别是双腿的髋关节和膝关节的屈伸自由度，由电机驱动主动关节。该机器人采用肌电信
号获取患者的运动意图，并通过编码器和力传感器实现对运动状态的实时监测和反馈控制 [21]HAL-
single 版本主要应用在下肢残疾患者的康复训练中，能根据穿戴者正常腿和拐杖的运动信息生成患
有疾病腿的步态轨迹，对患者进行有效的、稳定的步态康复训练。
(a) HAL—3 (b) HAL—5 (c) HAL—single
图7 日本筑波大学研制的 HAL 系列外骨骼机器人
2.2 国内研究现状
在2004 年，中国科学院合肥智能机械研究所和中国科学技术大学开始研发外骨骼机器人，以
协助老年人重获行走能力[24,25]。该外骨骼机器人的主动自由度包括双腿的髋关节和膝关节的屈伸自
由度，以及脚尖的转动自由度，类似于Rewalk 机器人。与其他下肢外骨骼机器人不同的是，该机
器人设计了一个能够准确获取穿戴者脚底压力信息并提高舒适性的转动自由度。该外骨骼机器人采
用二维力传感器在腿杆与人体大腿、小腿的接触部位进行感知系统的设计，同时在脚底位置安装了
三个一维力传感器。通过传感器以及电机编码器反馈的运动状态信息结合测量到的脚底压力信息，
预测穿戴者的运动意图。在 2010 年，研发团队推出了二代样机[26,27]，拥有七个自由度，与人体下肢
单腿自由度数相同。与第一代外骨骼机器人样机相比，二代样机增加了踝关节的自由度，经过改
进，各关节现已采用电动驱动，替代了原先的电机减速器配合驱动方式。此外，系统还采用了柔性
双足感知技术，从而进一步提高了系统的性能和适应性，根据脚底压力采集点的压力分布信息，
预测人体的运动意图并控制外骨骼机器人跟随人体运动。第一代、第二代样机如图8所示。
图8康复外骨骼第一代、二代样机
图9是燕山大学开发的一款坐卧式下肢康复机器人[28-30]，该康复机器人不仅能够实现髋、膝、踝
3个关节的独立康复训练，还可以进行多个关节之间的组合训练，而且还能适应不同腿长的患者，
另外，座椅的角度可调，实现了坐姿和卧姿的两种康复训练。
蒋大伟等人[31]研制出了一种自行车下肢康复机器人，如图10 所示，训练时，患者需要坐在康
摘要：
展开>>
收起<<
附件3佳木斯大学本科生毕业论文（设计）开题报告毕业论文（设计）题目悬架式下肢外骨骼康复机器人结构设计学院机械工程学院学号班级开题日期专业机械设计制造及其自动化学生姓名指导教师教师职称本课题的研究意义（选题依据,课题来源,学术价值及对社会、经济发展和科技进步的意义）：1研究背景如今，社会正慢慢步入老龄化时期，老龄人的问题带来的压力慢慢加重在社会和家庭上。随着年龄的增长，许多人的身体素质和健康状态逐渐下降。中风偏瘫是老年人中最常见的疾病，范围从步态变形到卧床不起，严重者甚至失去了生活自理能力[1]。此外，道路事故和运动损伤等患者的数量也逐渐增加。根据第二次全国残疾人抽样调查数据显示，中国残疾人总数...
相关推荐
-
果园挖坑施肥机械的设计与实现
2024-04-09 116 -
国内外翻转犁研究及发展现状
2024-04-09 233 -
固定式香蕉秸秆粉碎机的设计
2024-04-09 132 -
枸杞采摘机械手机械结构设计与系统设计
2024-04-09 215 -
1K-500自走式果园施肥开沟管理机的设计
2024-04-09 169 -
基于无线传感器网络的农田环境信息监测平台
2024-04-12 83 -
基于PLC的水稻水肥一体化无线监控系统研究
2024-04-12 113 -
花生收获机的行驶机构建模和挖掘铲自适应控制
2024-04-12 169 -
穴盘苗取苗机构设计与运动仿真
2024-04-14 209 -
上海地区鲜食玉米全程机械化种植技术方案研究
2024-04-14 141
作者：闻远设计
分类：课程设计课件资料
价格：40光币
属性：10 页
大小：1.78MB
格式：DOC
时间：2024-06-18
