【摘要】：本文密切結(jié)合新型下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人自主創(chuàng)新需求,在國家自然科學(xué)基金的資助下,提出了一種新型下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人,系統(tǒng)研究了足底驅(qū)動步態(tài)模擬并聯(lián)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)、靜剛度半解析建模、全域靜態(tài)特性快速預(yù)估及有限元建模方法等內(nèi)容。論文工作及成果如下:針對下肢康復(fù)訓(xùn)練的運(yùn)動需求,提出了一種三自由度足底驅(qū)動步態(tài)模擬并聯(lián)機(jī)構(gòu),簡要分析了該機(jī)構(gòu)的組成原理和運(yùn)動特點(diǎn);采用矢量鏈法推導(dǎo)出并聯(lián)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)正、逆解解析模型,得到了位置正解解析表達(dá)式;基于螺旋理論建立機(jī)構(gòu)的廣義雅克比矩陣,并采用遺傳算法研究該機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)優(yōu)化設(shè)計問題;基于運(yùn)動學(xué)逆解模型并結(jié)合具體算例,提出了考慮氣動人工肌肉收縮長度限制的姿態(tài)可達(dá)空間搜索方法。借助虛功原理和子結(jié)構(gòu)綜合的思想,提出了一種考慮所有驅(qū)動支鏈、約束支鏈以及轉(zhuǎn)動支架彈性變形的靜剛度半解析建模方法;根據(jù)各驅(qū)動支鏈、約束支鏈以及轉(zhuǎn)動支架的機(jī)械結(jié)構(gòu)和力流傳遞關(guān)系,實(shí)現(xiàn)了界面柔度的精細(xì)建模,推導(dǎo)了各構(gòu)件的等效柔度矩陣表達(dá)式;通過靜態(tài)特性實(shí)驗,獲取了氣動人工肌肉的靜態(tài)特性曲線圖,推導(dǎo)了氣動人工肌肉靜剛度關(guān)于氣壓和收縮率的函數(shù)表達(dá)式;結(jié)合具體算例,運(yùn)用靜剛度半解析建模方法計算了初始位姿狀態(tài)下末端參考點(diǎn)各向線剛度及動平臺角剛度,并得到了機(jī)構(gòu)在姿態(tài)任務(wù)空間內(nèi)的靜剛度分布圖。借助SAMCEF軟件和天津大學(xué)開發(fā)的機(jī)器人靜動態(tài)特性快速預(yù)估系統(tǒng),提出了一種快速建立并聯(lián)機(jī)構(gòu)整機(jī)有限元模型的有效方法,建立了所提出并聯(lián)機(jī)構(gòu)各零部件的精細(xì)化有限元等效模型,實(shí)現(xiàn)了整機(jī)模型的靜態(tài)特性全域快速預(yù)估,計算出姿態(tài)任務(wù)空間內(nèi)末端參考點(diǎn)各向線剛度和動平臺角剛度分布規(guī)律,并對比驗證了靜剛度半解析建模方法的有效性。本課題所開展的足底驅(qū)動步態(tài)模擬機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)設(shè)計與靜態(tài)性能分析研究對于改善機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)性能、靜態(tài)特性具有重要意義。
【圖文】：

其中，瑞士 Hocoma 公司推出的 Lokomat 就是運(yùn)動平板式下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的典型代表。如圖 1-1(a) 所示，Lokomat 系統(tǒng)主要由減重裝置、外骨骼式步態(tài)矯正器和醫(yī)用同步運(yùn)動跑步機(jī)組成，可帶動患者下肢按照正常人體步態(tài)軌跡進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，有效地改善患者的日常步行能力，同時實(shí)現(xiàn)了下肢康復(fù)訓(xùn)練的全自動化[13, 14]。圖 1-1(b) 為美國 Woodway 公司研制的下肢康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)LokoHelp，該系統(tǒng)通過增添動力腿矯形器“Pedago”，能夠進(jìn)一步改善患者的步態(tài)運(yùn)動能力。除上述特點(diǎn)外，該康復(fù)系統(tǒng)還具有設(shè)備輕巧、結(jié)構(gòu)簡單、功能集成化程度高且可實(shí)現(xiàn)主被動雙重康復(fù)訓(xùn)練模式等優(yōu)點(diǎn)[15, 16]。相關(guān)研究結(jié)果表明，通過將目標(biāo)導(dǎo)向式步態(tài)訓(xùn)練模式與機(jī)械步態(tài)訓(xùn)練裝置相結(jié)合，有助于改善患者的步行和日常行為能力[17]。類似地，美國 Motorika 公司研究開發(fā)了一種由減重支撐系統(tǒng)、步態(tài)矯正裝置和醫(yī)用跑步機(jī)組成的康復(fù)機(jī)器人 Moto-Reo Ambulator[18, 19](圖 1-2(a) )。采用一體化設(shè)計的 Moto-Reo Ambulato 康復(fù)機(jī)器人，既能夠帶動患者下肢進(jìn)行被動訓(xùn)練，又能夠滿足患者的下肢主動訓(xùn)練需求，而且更加注重對訓(xùn)練過程的監(jiān)控，具備報警系統(tǒng)，以確�？祻�(fù)訓(xùn)練過程的安全性。

代可編程式下肢康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng) Haptic Walker[21]。通過將外骨骼機(jī)器人與跑機(jī)結(jié)合，并輔以可編程且具有觸覺功能的末端踏板，該系統(tǒng)可以根據(jù)生物饋信息實(shí)時測量分析和有效監(jiān)控患者的步態(tài)訓(xùn)練過程。除可實(shí)現(xiàn)基本的平和上下臺階等訓(xùn)練模式外，Haptic Walker 還可為患者提供較為復(fù)雜的下肢練。圖 1-3(a) 所示為 Reha-Technology 公司研制的 G-EO 足底平臺式康復(fù)統(tǒng)，該系統(tǒng)由步態(tài)模擬機(jī)構(gòu)、重力平衡系統(tǒng)和重心調(diào)整系統(tǒng)組成，，其中步機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)人體矢狀面內(nèi)三個自由度轉(zhuǎn)動和移動運(yùn)動，還可通過編程帶下肢完成爬樓梯等特殊訓(xùn)練。G-EO 康復(fù)系統(tǒng)具有主被動兩種康復(fù)訓(xùn)練模過設(shè)置在足底的力傳感器可以實(shí)現(xiàn)對患者下肢的柔順控制，具有動態(tài)響應(yīng)高的優(yōu)點(diǎn)[22]，但 G-EO 系統(tǒng)同樣具有設(shè)備體積龐大和不易移動等缺陷。瑞士 Swortec SA 公司推出的 WalkTrainer 是移動式下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人典型代表（圖 1-3(b)）。該機(jī)器人系統(tǒng)包括移動平臺、骨盆控制模塊、重裝置、動力外骨骼及實(shí)時功能性電刺激 (FES) 模塊[23, 24]。在康復(fù)訓(xùn)練過alkTrainer 能夠跟隨患者意愿自由移動，不影響患者足部與地面的直接接
【學(xué)位授予單位】：天津大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TH112

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2647077