基于FES的起立功能康复机器人设计及相关技术研究

论文摘要

康复训练机器人技术是近年来迅速发展起来的一门新兴技术,是机器人技术在医学领域的应用。辅助起立康复训练机器人是一种新型的康复训练机器人,通过人机交互的方式辅助人体起立,可以对截瘫患者、下肢有运动障碍的病人和老年人进行起立康复训练。有助于恢复残疾肢体的运动功能、增强肌肉强度、改善患者的心肺功能、减少并发症、提高残疾人群的生活质量,其良好的康复效果已为大量实验所证明。本文详细地综述了辅助起立康复机器人研究领域的国内外研究现状,以FES脚踏车的研究成果为基础,将功能性电刺激技术引入辅助人体起立训练中,进行基于FES的起立功能康复机器人的相关技术研究。根据患者进行主动康复训练和机械驱动辅助康复训练的设计要求,将人体起立生理特征与残疾肢体病理特征相结合,确定了基于FES的起立功能康复机器人的系统性能指标、结构形式及驱动方式,以实现位置控制和力控制两种控制模式为目的,完成了起立康复机器人的总体结构设计,并对主要零部件进行了强度计算和受力分析,解决了起立运动过程中坐垫水平运动技术难题。利用关节角度和关节力矩描述起立过程,建立了人体起立过程的运动学和动力学模型,推导出人体起立过程中关节角度和关节力矩计算式。通过实验室实际模型的求解,获得了关节角度和关节力矩随时间变化的关系曲线。结合人体的生理特征,建立了肌肉动力学模型,并对电刺激作用下截瘫患者产生的肌肉力矩进行了计算。对机器人的运动学和动力学进行建模分析,以实验室实际模型实验所得轨迹作为参考轨迹,运用ADAMS软件对机器人辅助起立过程进行仿真研究。将人机之间的相互作用简化为人机之间的接触力,在此基础上建立机器人动力学模型,求得力控制模式下所需的电机输出转矩,验证了电机选择的准确性和力控制模式的可行性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及目的意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 下肢辅助型康复机器人研究现状
• 1.2.2 辅助起立机器人国内外研究现状
• 1.3 FES简介
• 1.4 主要研究内容
• 第2章 机器人本体结构设计
• 2.1 机器人的性能要求
• 2.2 总体结构设计
• 2.2.1 驱动方式选择
• 2.2.2 机器人的结构形式
• 2.2.3 主要部件参数设计
• 2.3 总体结构装配图
• 2.4 本章小结
• 第3章 人体起立模型的建立
• 3.1 下肢骨胳肌生理知识简介
• 3.2 起立过程运动学及动力学模型的建立
• 3.2.1 起立过程运动学模型
• 3.2.2 起立过程动力学模型
• 3.3 实验模型实例分析
• 3.3.1 人体起立轨迹分析
• 3.3.2 实例模型计算
• 3.4 起立运动中肌肉动力学模型
• 3.5 本章小结
• 第4章 机器人的运动学及动力学分析
• 4.1 机器人运动学逆解
• 4.1.1 运动学逆解计算
• 4.2 机器人仿真模型建立及分析
• 4.2.1 仿真模型的建立
• 4.2.2 施加约束和驱动
• 4.2.3 仿真结果
• 4.2.4 对比仿真结果
• 4.3 机器人系统动力学分析
• 4.3.1 人机接触力
• 4.3.2 机器人动力学模型
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 个人简历