生物融合式康复机构理论与应用研究

论文摘要

康复机构是康复机器人实现运动功能的基础,其性质直接决定了康复机器人对患者的康复效果,是康复工程研究的重点内容。生物融合式康复机构是一类由人体和机械共同组成的现代机构新类型,在康复运动过程中可以实现人体与机械间运动的交互与协调,更能满足康复机器人的设计要求。本课题对生物融合式康复机构及其应用进行了较为系统的研究。主要内容如下:基于康复运动系统中人体机构与机械机构间的相互作用关系,提出了生物融合式康复机构的概念,并介绍了该类新机构的特征、分类、自由度以及符号表示方法。基于螺旋理论并结合生物融合式康复机构的特征,分别给出并联和串联生物融合式康复机构的型综合方法和原则,依据上述方法进行生物融合式踝关节、膝关节康复机构的型综合。推导了平面单环S髋R膝|P（Pe）⊥Re∥R生物融合式膝关节康复机构在人体作用下,机构的平衡位置计算公式;绘制了不同条件下机械驱动与膝关节夹角的关系曲线,并讨论了人体关节力矩对膝关节夹角的影响;建立了机械机构的柔度模型,并计算了不同关节力矩下该机构的方向柔度。采用虚设机构运动影响系数法建立了并联I类球面S踝2-RN（Re）RNRN/RN（Re）RbRbRbRN生物融合式踝关节康复机构的康复力平衡方程;分析了康复运动过程中机构的输入、输出以及力位平衡问题并进行数值验证;讨论了该机构在踝关节背屈/趾屈运动过程中的解耦性,建立了机械驱动和关节作用力矩间的误差模型以及机械机构的柔度模型,并绘制了误差传递矩阵的条件数以及柔度矩阵特征值在工作空间的分布图。基于机构一阶影响系数建立了并联II类PS踝4- bU⊥P（Pe）S生物融合式踝关节康复机构的康复力平衡方程;分析了康复运动过程中机构的输入、输出以及力位平衡问题并进行数值验证;依据踝关节康复过程中的人机工程学以及康复机构的工作空间、力学性能对结构参数进行优化设计;分析了人体机构与机械机构的定位误差对踝关节姿态的影响。以生物融合式康复机构的实用化为目标,研究了生物融合式康复机器人设计流程;基于两类生物融合式踝关节康复机构,综合考虑康复机器人设计要求,研制出两台新型踝关节康复机器人样机。本研究为生物融合式康复机构的应用与推广奠定了基础,对新型生物融合式康复机器人的研发具有重要的指导意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 康复机器人研究现状
• 1.2.1 国外发展状况
• 1.2.2 国内发展状况
• 1.3 康复机器人现状分析
• 1.3.1 机构设计
• 1.3.2 运动疗法
• 1.3.3 驱动方式
• 1.3.4 控制策略
• 1.3.5 传感技术
• 1.3.6 人机工程
• 1.4 康复机器人的特点和设计要求
• 1.5 课题来源及选题意义
• 1.6 主要研究内容
• 第2章 生物融合式康复机构与分类
• 2.1 引言
• 2.2 康复运动系统
• 2.3 生物融合式康复机构概念
• 2.4 生物融合式康复机构特征
• 2.5 生物融合式康复机构分类
• 2.5.1 串联和并联生物融合式康复机构
• 2.5.2 端部牵引和外骨骼生物融合式康复机构
• 2.5.3 Ⅰ类和Ⅱ类生物融合式康复机构
• 2.6 生物融合式康复机构自由度
• 2.7 生物融合式康复机构的符号表示
• 2.8 本章小结
• 第3章 生物融合式康复机构型综合研究
• 3.1 引言
• 3.2 并联生物融合式康复机构型综合
• 3.2.1 确定机构输出自由度
• 3.2.2 引入人体驱动运动副
• 3.2.3 结合人体约束布置运动副
• 3.2.4 并联生物融合式踝关节康复机构型综合
• 3.3 串联生物融合式康复机构型综合
• 3.3.1 串联外骨骼生物融合式康复机构型综合
• 3.3.2 串联端部牵引生物融合式康复机构型综合
• 3.3.3 串联生物融合式膝关节康复机构型综合
• 3.4 本章小结
• 第4章 平面单环生物融合式康复机构运动学分析
• 4.1 引言
• Re^R 康复机构'>4.2 S 髋R 膝| P（Pe）^Re^R康复机构
• 4.3 康复运动分析
• 4.3.1 力位平衡分析
• 4.3.2 数值计算
• 4.4 柔度分析
• 4.4.1 建立柔度模型
• 4.4.2 方向柔度性能分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 并联Ⅰ类生物融合式康复机构运动学分析
• 5.1 引言
• ReR_NR_N/R_N（Re）b^Rb^Rb^RRN康复机构'>5.2 S踝｜2-R_ReR_NR_N/R_N（Re）b^Rb^Rb^RRN康复机构
• 5.3 机构康复力平衡方程
• 5.4 康复运动分析
• 5.4.1 康复运动输入分析
• 5.4.2 康复运动输出分析
• 5.4.3 力位平衡分析
• 5.4.4 数值验证
• 5.5 机构性能分析
• 5.5.1 解耦分析
• 5.5.2 力位误差分析
• 5.5.3 柔度分析
• 5.6 本章小结
• 第6章 并联Ⅱ类生物融合式康复机构运动学分析
• 6.1 引言
• U⊥^P（Pe）S 康复机构'>6.2 PS 踝｜4- b^U⊥^P（Pe）S 康复机构
• 6.3 机构康复力平衡方程
• 6.4 康复运动分析
• 6.4.1 康复运动输入分析
• 6.4.2 康复运动输出分析
• 6.4.3 力位平衡分析
• 6.4.4 数值验证
• 6.5 结构尺寸优化
• 6.5.1 基于人体尺寸的结构参数范围分析
• 6.5.2 基于工作空间的结构参数优化
• 6.5.3 基于人体非期望受力的结构尺寸优化
• 6.6 几何误差分析
• 6.7 本章小结
• 第7章 生物融合式踝关节康复机器人样机研制
• 7.1 引言
• 7.2 生物融合式康复机器人设计流程
• 7.3 生物融合式踝关节康复机器人样机设计
• 7.3.1 机构特征分析
• 7.3.2 样机设计
• 7.3.3 强度分析
• 7.4 电气系统及功能性实验
• 7.5 本章小结
• 结论
• 附录1
• 附录2
• 参考文献
• 攻读博士学位期间承担的科研任务与主要成果
• 致谢
• 作者简介