【摘要】：隨著產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級和機(jī)器人相關(guān)技術(shù)的發(fā)展,機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)從制造業(yè)領(lǐng)域擴(kuò)展到醫(yī)療服務(wù)業(yè)領(lǐng)域。下肢康復(fù)外骨骼機(jī)器人作為一種典型的醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人,市場需求量大,但是涉及到機(jī)械學(xué)、生物學(xué)、控制科學(xué)等多個學(xué)科,設(shè)計(jì)研發(fā)的技術(shù)難度較大。本文主要從機(jī)械學(xué)和運(yùn)動學(xué)的角度對人體下肢運(yùn)動特征進(jìn)行了研究,并從機(jī)構(gòu)學(xué)的角度對外骨骼和人體下肢所構(gòu)成的空間機(jī)構(gòu)進(jìn)行了分析,設(shè)計(jì)了一種新型的柔性聯(lián)結(jié)的外骨骼機(jī)構(gòu),還采用了多桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了康復(fù)外骨骼的的關(guān)節(jié)驅(qū)動機(jī)構(gòu),具體研究內(nèi)容如下。首先分析了人體下肢關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和運(yùn)動特點(diǎn),并根據(jù)各個關(guān)節(jié)的運(yùn)動形式,建立了下肢的等效的機(jī)構(gòu)模型,在等效機(jī)構(gòu)模型的基礎(chǔ)上建立了下肢的運(yùn)動學(xué)模型和動力學(xué)模型,為外骨骼設(shè)計(jì)和外骨骼-下肢空間機(jī)構(gòu)的運(yùn)動分析提供理論基礎(chǔ);還分析了正常人步行時的步態(tài)特征,確定了康復(fù)目標(biāo),即外骨骼系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。然后針對傳統(tǒng)的外骨骼機(jī)器人在人體下肢關(guān)節(jié)和外骨骼機(jī)器人關(guān)節(jié)存在軸線偏差時,會產(chǎn)生過約束的問題,設(shè)計(jì)了一種柔性聯(lián)結(jié)的外骨骼機(jī)構(gòu)。將外骨骼機(jī)器人和下肢作為一個整體機(jī)構(gòu)來分析,并采用螺旋理論,對外骨骼-下肢空間機(jī)構(gòu)的約束進(jìn)行分析,驗(yàn)證該結(jié)構(gòu)的恰約束性。并建立了外骨骼-下肢空間機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)模型,采用matlab分析人體下肢關(guān)節(jié)軸線和外骨骼關(guān)節(jié)軸線存在軸線偏移時,對該系統(tǒng)輸出的影響;分別討論了軸線存在角度偏移和各個方向的位置偏移對輸出的影響,找出了對該系統(tǒng)輸出影響最大的偏移因素;分析了聯(lián)結(jié)機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)參數(shù)對輸出的影響,給出了聯(lián)結(jié)機(jī)構(gòu)參數(shù)的選取方法,并選取了最佳的聯(lián)結(jié)機(jī)構(gòu)參數(shù)。最后針對典型的下肢康復(fù)的步態(tài)要求,設(shè)計(jì)了下肢康復(fù)外骨骼機(jī)器人驅(qū)動機(jī)構(gòu)。分析目標(biāo)步態(tài)曲線的特征,選取了驅(qū)動機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式,建立了驅(qū)動機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型,針對該機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的時,非線性約束多,約束與目標(biāo)函數(shù)存在耦合,且無法給出初值的情況,引入了遺傳算法作為驅(qū)動機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)的方法,最終求得了驅(qū)動機(jī)構(gòu)參數(shù)的全局最優(yōu)解,并將驅(qū)動機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行仿真分析,仿真結(jié)果與目標(biāo)運(yùn)動函數(shù)進(jìn)行對比,驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)的合理性。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TP242;TH77
【圖文】：

��；避免產(chǎn)生不合理的康復(fù)動作，并且防止機(jī)械外骨骼對人體的傷害。因此建立合理的典型的下肢運(yùn)動學(xué)模型和外骨骼-下肢系統(tǒng)運(yùn)動學(xué)模型，設(shè)計(jì)合理的下肢康復(fù)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)，并且設(shè)計(jì)合理的驅(qū)動機(jī)構(gòu)和控制策略，才能給人體下肢提供有效合理的康復(fù)訓(xùn)練。本文正是基于此，開展了運(yùn)動學(xué)和機(jī)構(gòu)學(xué)方面的研究1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1 國外研究概況1999 年位于瑞士的 Hocoma 公司發(fā)布了一臺步態(tài)康復(fù)機(jī)器人 Lokomat，在該機(jī)人由三個部分組成，分別是步行機(jī)構(gòu)、減重裝置和運(yùn)動臺，其中最核心的部分是具有動力驅(qū)動的步行機(jī)構(gòu)[6]。在該系統(tǒng)中，減重裝置與人體軀干相連，減輕部分人體量；步行機(jī)構(gòu)穿戴在使用者的下肢上，帶動使用者的下肢運(yùn)；運(yùn)動臺一般為跑步機(jī)與步行機(jī)構(gòu)配合，使得使用者按照特定的速度做步行運(yùn)動[7]。

華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文的關(guān)節(jié)處布置有傳感器用于檢測下肢的運(yùn)動狀態(tài)和肌肉力[9]。2003 年加州大學(xué)伯克利分校，研發(fā)了一款名為 BLEEX 的外骨骼機(jī)器人。該要是給士兵使用，用來增強(qiáng)士兵的負(fù)重能力和行走能力[10]；也能給行走障使用，幫助患者行訓(xùn)練，回復(fù)下肢行走機(jī)能。BLEEX 機(jī)器人系統(tǒng)由三個部分別是機(jī)械外骨骼、負(fù)重單元和動力單元。機(jī)械外骨骼是包含兩條仿生的與下肢直接相連，機(jī)械腿關(guān)節(jié)由液壓缸驅(qū)動。該系統(tǒng)還安裝有 40 多個傳感壓驅(qū)動裝置一起構(gòu)成了一個閉環(huán)系統(tǒng)，傳感器實(shí)時監(jiān)測使用者外骨骼系統(tǒng)當(dāng)前的各項(xiàng)指標(biāo)，并對系統(tǒng)的驅(qū)動裝置進(jìn)行調(diào)整[11]。

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前7條

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本文編號：2716975