机器人辅助步行训练设备中减重系统的设计(2015年)资源-CSDN文库

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第30卷第2期

2 0 1 5 年6 月

青岛大学学报（工程技术版）

JOURNAL OF QINGDAO UNIVERSITY (E&T)

Vol. 30 No. 2

Jun 2015

文章编号:1006 - 9798(2015)02 - 0031 - 07; DOI： 10. 13306/j. 1006 - 9798. 2015. 02. 006

机器人辅助步行训练设备中减重系统的设计

王文龙！王继荣！宋道富！刘广涛！姜云

(青岛大学机电工程学院, 山东青岛266071)

摘要：针对机器人辅助步行训练设备中减重系统存在的缺点和不足，本文从结构上设计

了一种新型减重系统。在结构设计中加人拉力传感器进行控制以便于满足不同要求下的

减重康复训练，其次设计的悬臂梁横梁左右对称，使康复训练者双肩同时减重拉力，避免

了单点受力时沿垂直方向旋转的可能性，使安全 >性和稳定性有了一定的提升，并采用

Pro/e建立三维模型，同时在Workbench环境下，对横梁和减重系统整体支架等主要受

力零部件进行有限元分析。分析结果表明，该结构具有较好的抗扭刚度，说明所选的横

轴强度能够满足使用要求。减重系统的设计和有限元分析为下肢康复机械设备的研究提

供了必要的理论依据，具有一定的实际意义。

关键词：步态训练；减重系统；结构设计；有限元分析；Workbench

中图分类号：TP242. 3; R496 文献标识码：A

随着人口老龄化的加剧和人们生活水平的提高，心脑血管疾病引起的下肢功能障碍的患者逐渐增多，因

此，康复机器人已经成为了国际机器人领域的一个研究热点。康复机器人涵盖了康复医学、机械电子学、生

物力学和机器人学等诸多学科。临床上普遍认为，对脑卒中、脊髓损伤和脑外伤患者早期介人机器人辅助步

行训练（robot-assisted gait training，R A G T ) 可帮助其重建正常步态，恢复步行能力[1]。R A G T 系统由动力

平台、减重系统和一个与腿部或足部相连的驱动装置共同组成[]，可对患者肢体提供外部支持，使患者在步

行时产生正常运动模式的机电设备。一些偏瘫患者由于下肢的支撑能力不足，在康复训练初期无法自己保

持站立，因此需要采用不同的减重方式来进行康复训练。德国弗朗霍费尔自动化机器人研究中心和柏林慈

善医科大学机构的Henning Schmid等人[]开发的下肢康复训练机器人（gait trainer，G IT )，虽然有减重系

统，但由于其占地面积较大，因此很难应用于实际生活；夏昊昕等人[4]研制的下肢康复训练机器人，其减重系

统只使用了一根钢丝绳，安全性和稳定性不够好；董亦鸣[5]研制的下肢康复机器人，虽然安全性和稳定性有

了一定的保证，却无法调节系统的减重能力。基于此，本文设计了一种应用于R A G T 的新型减重系统，该系

统具有良好的安全性和稳定性，并且能够适用于不同的减重康复训练阶段。该设计为下肢康复机械设备的

提供了必的理据。

1 减重系统原理

许多患者步态异常主要是由于下肢支撑能力不足所造成。在传统的康复治疗过程中，已经开始利用减

重的方式进行早期的步态训练。减重训练是利用悬吊或平板装置不同程度地减少患者体重对下肢的负荷，

有利于支撑能力不足的患者早期进行各种步行等康复训练[]。本减重支撑系统包括支架、横梁、电动推杆、

滑轮、轴承、钢丝绳、弹簧、力传感器等，减重系统结构示意图如图1 所示。

支架与横梁通过支架接头连接，支架末端有螺栓孔，通过螺栓可与其他机构固定在一起。电动推杆一端

收稿日期：2015-01-13;修回日期：2015 - 04 -01

作者筒介：王文龙（1989 -)，男，硕士研究生，主要研究方向为机械设计及理论。

通讯作者：王继荣（1967 -)，女，博士，教授，主要研究方向为机械CAD。Email： wangjirong43@163. com

青岛大学学报（工程技术版）

第 3 0 卷

与支架连接，另一端与钢丝绳2 末端的开口索节通过销钉连接。钢丝

绳 2 的另一端与S 型拉力传感器连接，而 S 型拉力传感器的另一端则

固定在横轴上。横梁上，各部件的安装是左右对称，横轴的两端安装有

深沟球轴承，2 个轴承可分别在轨道内进行前后运动，横轴的两端分别

与钢丝绳连接，钢丝绳在横梁上通过滑轮进行支撑，弹簧与全身式吊带

背心连接，因此在康复训练时，患者穿上吊带背心即可。悬臂横梁部分

三维结构图如图2 所示。

下肢支撑能力由于患者的患病程度不同而有所差异，并且患者在

康复过程中下肢的支撑能力也会不同程度的提高，因此，减重系统需要

具有不同的减重模式。当减重系统进行工作时，首先在控制面板上设

定所需要的减重模式，电动推杆开始工作，此时力传感器会反馈信息到

控制系统，当满足条件时，电动推杆内部自带的行程开关开始工作，而

电动推杆停止工作，这样就实现了所需的减重模式，本减重系统设定的

减重系统为减重1 5 % 和 30% 。综上所述，减重支撑系统具有以下特点：

1) 减重支撑系统中含有拉力传感器，能够实时

反馈患者在康复训练过程中所受的拉力，然后通过控

制系统调节电动推杆，实现减重的多个模式。

2) 减重支撑系统的支架在上端是左右对称的，

患者左右肩同时受拉力，避免了单点受力时沿垂直方

向的旋转的可能性。

图1 减重系统结构示意图

主要零件的选取和计算

图2 悬臂横梁部分三维结构示意图

1 ) 选取钢丝绳。根据经验公式，即

F *

50D2/ K (1)

式中，F 为钢丝绳的破断力，k g ; D 为钢丝绳的直径，

m m ；5 为安全系数

，

= 4 。当 I =150 k g 时

，D 2

3.46 m m , 因此，选用圆股钢丝绳为6 X 7 ，选取 D = 4 m m , 钢丝绳端部使用开口索节进行连接。

2 ) 选取弹簧。患者重量为150 kg，故每根弹簧所能承受的最大拉力应超过750 N 。根据机械设计手

册数据，所选弹賛的直径

= 6 m m ，弹賛中径D = 65 m m ，许用切应力

= 585 M P a ，所能承受的最大拉力

为 796 N ，弹簧圈数n = 15，弹簧刚度6 = 3 N / m m ，拉伸弹簧挂钩的形式为L 1 型。

考虑到患者身高不同，选取身高为 152"188 cm,变化范围为 36 cm,减重模式为 3 0 % 时，患者为 150

kg ，弹簧形变量为25 c m ，所以轨道的长度和电动推杆的伸缩量必须大于51 c m 。

3 ) 选取电动推杆。电动推杆具有体积小、精度高、完全同步、自锁性能好等优点，而且还提供 P L C 接

人端口

，

以达到过程实时控制。为保证电动推杆能够正常工作

，

其抗拉强度须大于患者的体重，即

F = mg =

150 X 10 = 1 500 N

结合上述分析

，

本研究选取电动推杆的行程为600 m m ，所选用的电动推杆参数如表1 所示。

4) 选取 S 型拉力传感器。体重为 150 k g 的

患者

，

在 3 0 % 的减重模式下

，

所受的拉力为 450 N ，

选用测量精度高、稳定性能好、温度漂移小、输出对

称性好、结构紧凑等优点的柯力 P S T 拉力传感器，

其量程为0"750 N 。

(2)

表 1 电动推杆参数

输入电压最大负载

速度

行程开关

/ V

/N /(mm • s 1)

2 000

13 内置

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机器人辅助步行训练设备中减重系统的设计 (2015年)

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