运动自适应智能外骨骼机器人机械结构

2014-10-9 16:19:37 | 原作者:admin

      

    上肢运动康复外骨骼机器人使用对象为运动功能障碍的脑卒中患者, 其结构设计过程 应该充分分析人体上肢生理结构并体现人体工程学的思想,在具体功能实现上的一些基本原则可以归纳为以下几点: 

   (1)实现上肢运动康复训练要求的所有动作功能上肢运动康复外骨骼机器人关节在直流伺服电机的驱动下,可以完成康复训练方式要求的上肢动作,这要求外骨骼机器人机械关节和人体生理关节的类型、数量和空间布置相互匹配,由此形成相容的人机闭式运动链。 

   (2)外骨骼机器人穿戴过程简单、方便,保证舒适性脑卒中患者上肢肌力严重不足,无法主动适应外部环境。因此,分析整个康复训练过程中患者与上肢运动康复外骨骼机器人发生的人机物理接触变化情况,合理设计穿戴方式和流程,节约训练准备时间,保证训练舒适性。 

   (3)康复训练过程中必须保证患者安全 由于适用对象的特殊生理和心理状况,上肢运动康复外骨骼机器人对安全性要求要 求极高。因此,需要分析脑卒中患者训练过程中面临的危险因素,设计具有针对性的安全保障机械结构。 

    根据上述设计原则,上肢外骨骼机器人机械结构将从关节驱动、人体穿戴和安全措施三方面展开阐述。从外骨骼机器人机械结构如下图所示。从外骨骼机器人关节自由度分布至上而下依次为肩部内收/外展、屈 /伸和旋内 /旋外,肘部屈 /伸,腕部旋内 /旋外、内收/ 外展和屈 /伸。每个自由度由独立的电机和齿轮减速箱组合直接驱动,动力损耗小且响应 速度快。高度调节和长度调节机构使外骨骼机器人系统适用不同身材的穿戴者。根据中国人体尺寸标准[140],高度调节范围( 1300±250mm,上臂长度调节范围( 318±30mm 前臂长度调节范围( 248±30mm

1) 驱动机构 驱动机构是从外骨骼机器人系统功能实现的动力源泉。 从外骨骼机器人各关节呈现运 动协同并引导脑卒中患者,对关节位置精度和响应速度要求较高,所以系统选择直流伺服 电机和齿轮减速箱组合直接驱动关节。 为了合理选取和设计驱动机构, 系统采用商业软件 ADAMSMechanical Dynamics Inc. 进行机构动力学仿真,得到关节最大力矩 Mmax、有效值转矩 MRMS 和关节最大转速 Vmax 为驱动选型提供参考。最终选型结果如表 5-1 所示,其中肩部和肘部的旋内 /旋外自由度 额外增加了自制的一级直齿轮减速机构。

为保障患者训练过程的安全, 从外骨骼机器人关节自由度运动范围不能超出上肢关节 生理运动范围,并且尽可能覆盖上肢日常生活动作关节运动范围,主、从外骨骼机器人关 节运动范围,关节生理运动范围和日常生活动作关节运动范围如表 5-2 所示。

2) 旋转关节半圆导轨机构 人体上肢肩部和腕部旋内 /旋外关节的旋转轴分别位于上臂和前臂的内部,为了匹配 生理旋转轴,机械旋转关节只能位于肢体外部或者采用环形包围结构。如果将关节移至肢 体外部,会对肩部和手部的运动造成影响,因此现有外骨骼机器人普遍采用环形包围结构
[141-145] 。 由于旋内 /旋外关节运动范围均不超过 180°, 所以半圆形结构能够满足训练要求, 且穿戴方便。


    1驱动机构 驱动机构是从外骨骼机器人系统功能实现的动力源泉。从外骨骼机器人各关节呈现运 动协同并引导脑卒中患者,对关节位置精度和响应速度要求较高,所以系统选择直流伺服电机和齿轮减速箱组合直接驱动关节。为了合理选取和设计驱动机构,系统采用商业软件 ADAMSMechanical Dynamics Inc.进行机构动力学仿真,得到关节最大力矩 Mmax、有效值转矩 MRMS 和关节最大转速Vmax为驱动选型提供参考。肩部和肘部的旋内 /旋外自由度 额外增加了自制的一级直齿轮减速机构。为保障患者训练过程的安全,从外骨骼机器人关节自由度运动范围不能超出上肢关节 生理运动范围,并且尽可能覆盖上肢日常生活动作关节运动范围,主、从外骨骼机器人关 节运动范围,关节生理运动范围和日常生活动作关节运动范围
    (2旋转关节半圆导轨机构 人体上肢肩部和腕部旋内 /旋外关节的旋转轴分别位于上臂和前臂的内部,为了匹配 生理旋转轴,机械旋转关节只能位于肢体外部或者采用环形包围结构。如果将关节移至肢 体外部,会对肩部和手部的运动造成影响,因此现有外骨骼机器人普遍采用环形包围结构。由于旋内/旋外关节运动范围均不超过180°,所以半圆形结构能够满足训练要求,且穿戴方便。

    本研究根据旋内 /旋外关节运动结构要求,参考滚动轴承设计了简单,传动效率较高 的半圆导轨关节结构,如下图半圆导轨三维结构图所示。半圆导轨工作原理与滚珠轴承类似,电机的旋转运动通过半圆形齿条传递至内环,形成相对外环的旋转运动,两者之间通过钢球的滚动将滑动摩擦转换为滚动摩擦,从而降低摩擦力。钢球通过钢片固定在内环,可在槽内自由滚动。限位块将内环限制在外环滑槽内,以免脱落时对人体和外骨骼机器人造成伤害。



   (3安全机构 主外骨骼机器人系统没有动力源,关节只能被动运动,所以安全性得到保障。从外骨骼机器人关节安装的电机齿轮箱组合可以提供数倍于人体关节的力/力矩,一旦机械关节运动范围超出生理关节运动范围,将对人体造成巨大伤害。本研究从硬件和软件两方面来保障训练安全。


   (严华)


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