并联下肢关节康复机器人机构设计及分析

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随着人口老龄化日益严峻,因功能衰退导致人体肢体关节灵活性变差甚至残疾的老年人不断增加。此外,由于战争、工伤、交通事故、疾病、灾难等原因造成神经损伤或肢体损伤的患者也在显著增加。康复机器人根据功能可分为康复训练型和康复辅助型两类。康复训练型用于帮助患者完成各种运动功能的恢复训练;康复辅助型用于帮助肢体运动有困难的患者完成各种动作。对于患者的医疗护理问题康复机器人起到了不可忽略的作用。目前,康复机器人正在逐渐完善并应用到康复护理、康复治疗等方面,不仅可以提高康复效率使肢体关节尽快康复,还可以通过安装的驱动器辅以角位移传感器以及力矩传感器,帮助患者重新站立和行走。这不仅促进了康复医学以及相关领域的新技术、新理论的发展,也对提升我国的康复医疗水平、提高患者的生活质量、减轻社会负担有着重要的意义。  通过对国内外学者的研究进展和所面对问题的了解,制定出本课题的主要研究方向和亟待解决的重要难点,从下肢关节的康复、助力的理论出发,提出了基于并联构型的踝关节康复、髋关节助力机器人并对其进行性能分析。  首先,通过对下肢关节生理解剖学、康复运动医学及损伤机理的研究,结合下肢关节的运动特性和结构特点,并针对关节的康复、助力运动需要建立相应的人体下肢关节运动学模型,提出一种基于并联构型的踝关节康复机构和两种髋关节助力机构,并应用三维设计软件对其机械本体进行三维建模。  其次,对所提出的下肢关节康复、助力机构进行运动学分析,推导了下肢关节康复机器人的位置解表达式。通过算例,对相应机构的运动副轨迹变化曲线、关节转动角度范围与支链间的干涉情况进行分析,验证了所设计的下肢关节康复机器人的可行性和安全性。  最后,通过机构运动方程求解了机构的速度与力雅克比矩阵,并以此为基础结合条件数、可操作度、速度操作椭球、操作灵巧性等性能评价指标对所提出的下肢关节康复机器人进行运动性能分析,为其结构设计和功能分析提供了理论依据。
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