可调式坐姿下肢康复机器人的设计与分析

来源 :合肥工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:blackfairy
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人口老龄化问题导致脑血管疾病的发病率增高,发病患者大多伴有肢体运动功能障碍。借助康复机器人进行科学规范的康复训练已经成为改善乃至恢复患者肢体运动功能的重要手段。针对患者下肢的康复需求功能及不同腿长患者所需的训练轨迹幅度不同等问题,本文在分析国外内下肢康复机器人研究现状的基础上,研制了一种可调式坐姿下肢康复机器人,主要研究内容如下:  首先,分析了人体肢体生理结构及主要关节活动度,基于人体正常行走与坐姿蹬腿状态下的步态实验数据总结出了步态规律,在此基础上研制了一款七杆执行机构和等比可调机构混合的开闭链式下肢康复机器人。该机器人的主体机构由五杆铰链机构与平面Ⅱ级杆组串联组成。等比可调机构串联于执行机构末端,并对其末端轨迹进行等比例放大或缩小,从而实现精准步态训练。  其次,对七杆执行机构和等比可调机构进行了正逆运动学分析,正分析确定了机构末端位置姿态,逆分析确定了曲柄转角与调整杆角度的函数关系,为实现规划轨迹提供了理论依据;对人体下肢模型进行了动力学分析,确定了下肢髋、膝关节所需的驱动力矩;对七杆执行机构和等比可调机构进行了动力学分析,求得曲柄和调整杆所需的驱动力矩,为合理选择电机及控制系统设计提供了数据参考。  然后,对康复机器人的人机模型进行了运动学和动力学仿真分析。建立针对不同百分位腿长的人机简化模型,通过模型仿真验证该机构能实现等比例变化的踝关节运动轨迹。另外,通过模型仿真可得出一个运动周期内膝关节角度、角速度、角加速度以及关节力和力矩的情况,为患者进行康复训练提供参考,同时也为康复治疗师评定康复效果提供依据。  最后,对康复机器人样机进行了实验研究。实验内容包括:轨迹调节实验、膝关节活动度实验、足底压力实验和表面肌电信号采集实验。轨迹调节实验结果表明机器人能够实现等比调节步态轨迹的目的,满足不同腿长患者的康复训练需求;膝关节活动度实验、表面肌电信号采集实验验证了设计方案的合理性和稳定性;足底压力实验验证了采用机器人进行康复训练的安全性。
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