全向移动康复机器人的下肢助力外骨骼研究

论文摘要

医学理论和临床实践证明,对于脑卒中等疾病引起的肢体运动障碍的患者,除了早期的手术治疗和必要的药物治疗外,科学正确的康复训练对于患者肢体运动功能的恢复和提高具有重大作用。因此下肢外骨骼康复训练机器人设计的主要目的就是提供一种安全的步行训练机构,对患者进行智能化康复训练。首先,本文结合全向移动平台与人体下肢行走的动力学原理,提出了被动式外骨骼的设计方法,并针对关节力矩对设计参数进行优化。为了使外骨骼满足更多的康复需求,按照拟人化原则设计了外骨骼的驱动机构。基于三维参数化软件Pro/E建立外骨骼康复机器人的实体模型并给出了具体设计参数。然后,针对康复训练机器人室内环境自由移动的特点,完成了外骨骼机器人无线康复信息采集系统的上下位机设计。建立起用于下肢康复评估的Pro/E模型与评价方法。完成单侧被动式外骨骼试验模型并在健康受试者身上做了初步实验,验证了信息采集系统的实用性。最后,对外骨骼被动式康复控制策略进行了研究。根据不同速度下肢关节的运动规律,得到了关节角度归一化参数方程的描述。给出关节驱动器的控制模型并对设计的控制器进行了仿真研究。本文的研究工作为日后成功建立外骨骼实验样机与康复机器人更深入的研究打下了初步的理论和实践基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景与意义
• 1.2 课题相关领域研究现状
• 1.2.1 康复训练外骨骼研究现状
• 1.2.2 助力外骨骼的研究现状
• 1.3 课题主要包括的内容
• 1.4 课题所需要的技术与面临的困难
• 第二章 人体行走动力学研究
• 2.1 人体行走生物特征
• 2.1.1 人体的基本平面和基本轴
• 2.1.2 人体行走步态
• 2.2 人体行走动力学模型
• 2.3 人体行走动力学仿真
• 2.4 全向移动康复平台
• 2.5 本章小结
• 第三章 下肢助力外骨骼执行机构设计
• 3.1 总体方案
• 3.2 设计要求
• 3.2.1 机械结构设计要求
• 3.2.2 控制系统设计要求
• 3.2.3 数据采集系统的设计要求
• 3.2.4 安全性设计要求
• 3.3 被动式外骨骼设计原理
• 3.3.1 髋关节模型与设计原理
• 3.3.2 膝关节模型与设计原理
• 3.3.3 参数的优化
• 3.4 外骨骼驱动器的设计
• 3.5 外骨骼机械结构设计
• 3.5.1 自由度的分配
• 3.5.2 大腿与胫骨结构设计
• 3.5.3 旋转关节结构设计
• 3.5.4 外骨骼总体模型
• 3.6 电机选型与传动比计算
• 3.7 本章小结
• 第四章 康复信息采集电路与评估模型设计
• 4.1 数据采集下位机设计
• 4.2 下位机软件的编写
• 4.2.1 NRF905驱动软件
• 4.2.2 AD和串口通讯
• 4.2.3 串行数据传输规则
• 4.3 上位机的设计
• 4.3.1 主界面的设计
• 4.3.2 MSComm控件的属性设置
• 4.3.3 通讯功能重点程序的编写
• 4.4 PRO/E评估模型建立
• 4.5 单侧被动式外骨骼初步实现与实验
• 4.6 本章小结
• 第五章 动力外骨骼控制策略的研究
• 5.1 动力外骨骼机器人的步态轨迹规划
• 5.1.1 人体不同行走速度的数据分析
• 5.1.2 下肢关节角度的函数拟合
• 5.2 电机运动曲线的转换
• 5.3 外骨骼执行被动训练的控制策略
• 5.3.1 关节驱动器的数学模型
• 5.3.2 直流电动机的控制
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 附录 A 电机与减速箱参数
• 附录 B 无线采集下位机主要程序
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢