本文關(guān)鍵詞：可穿戴下肢康復(fù)外骨骼機(jī)器人及其步態(tài)控制，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：可穿戴下肢康復(fù)外骨骼機(jī)器人是一種受仿生學(xué)啟發(fā)的人機(jī)一體化智能系統(tǒng),旨在幫助下肢功能障礙的病患恢復(fù)運(yùn)動(dòng)功能。與傳統(tǒng)康復(fù)設(shè)備不同,它不限制于在醫(yī)院、康復(fù)中心等固定的室內(nèi)環(huán)境下使用,而是可以讓病人在戶外自由訓(xùn)練,甚至無需醫(yī)護(hù)人員在場,成為家庭使用的個(gè)人產(chǎn)品。本文研究的目的是開發(fā)一款適用于下肢截癱者使用的外骨骼機(jī)器人系統(tǒng),主要內(nèi)容包括外骨骼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)以及步態(tài)控制算法等。受仿生外骨骼啟發(fā),本文設(shè)計(jì)了一款8自由度外骨骼機(jī)器人,包括4個(gè)主動(dòng)自由度,2個(gè)被動(dòng)自由度和2個(gè)手動(dòng)限制自由度。主要結(jié)構(gòu)包括關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、背包、踝關(guān)節(jié)、控制拐杖以及綁帶等人機(jī)力交互結(jié)構(gòu)。其中關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)要求很高的功率-體積比,是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。通過查閱相關(guān)文獻(xiàn),總結(jié)了現(xiàn)有關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)類型,并詳細(xì)探討了變異平面四桿機(jī)構(gòu)方案的可行性,最終確定了基于曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的關(guān)節(jié)構(gòu)型。在關(guān)節(jié)局部運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的基礎(chǔ)上,給出了一種可視化調(diào)參方法：以關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍及瞬時(shí)減速比為優(yōu)化目標(biāo),通過試參法獲得四桿機(jī)構(gòu)桿長的優(yōu)選搭配,使得關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)特性符合人體下肢關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和受力規(guī)律。最后還通過有限元仿真分析,確定了關(guān)節(jié)內(nèi)薄弱環(huán)節(jié),進(jìn)而進(jìn)行局部加強(qiáng)。機(jī)器人采用電池供電便于遠(yuǎn)距離行走,采用工控主機(jī)作為控制中心,并集成角度傳感器、姿態(tài)儀,壓力傳感器等,實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的閉環(huán)控制。結(jié)合人類下意識的習(xí)慣,提出了一種簡單有效的行走控制邏輯,可降低誤操作的可能。上位機(jī)軟件目前主要做調(diào)試用,可視化的狀態(tài)顯示區(qū)方便調(diào)試人員隨時(shí)掌握機(jī)器人狀態(tài)。此外,還巧妙地運(yùn)用繼電器,獲得異常斷電時(shí)的臨時(shí)保護(hù)機(jī)制。在常用的7類下肢輔助控制策略基礎(chǔ)上,對截癱者適用的步態(tài)控制方法進(jìn)行了探討；又在健康人步態(tài)分析的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步探討輔助截癱病人站立行走的可行性,歸納出截癱適用步態(tài)應(yīng)具備的特點(diǎn)。介紹了步態(tài)采集方法,并針對截癱行走的特點(diǎn),提出一種步態(tài)修正方法,不僅能解決腳尖拖地的問題,還能快速生成不同坡度行走的步態(tài)。2名截癱志愿者參與了行走試驗(yàn),驗(yàn)證了外骨骼機(jī)器人系統(tǒng)的可靠性,還驗(yàn)證了步態(tài)修正方法的有效性。最后,根據(jù)截癱病人起坐的特殊需求,提出了人機(jī)三質(zhì)量桿模型及其穩(wěn)定空間的概念,并在此基礎(chǔ)上提出速度順應(yīng)控制方法,緩解了不恰當(dāng)?shù)墓照仁┝o肢體平衡帶來的影響。實(shí)驗(yàn)證明,與傳統(tǒng)預(yù)定軌跡控制方法相比,速度順應(yīng)控制方法下的起坐成功率明顯提高。
【關(guān)鍵詞】：可穿戴外骨骼 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 截癱適用步態(tài) 步態(tài)控制策略 順應(yīng)起坐方法
【學(xué)位授予單位】：廣東工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TP242
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-12
• 第一章 緒論12-25
• 1.1 課題研究背景12-15
• 1.1.1 外骨骼技術(shù)的起源12-13
• 1.1.2 外骨骼機(jī)器人的分類13-15
• 1.2 外骨骼機(jī)器人系統(tǒng)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀15-21
• 1.2.1 能力增強(qiáng)型外骨骼15-18
• 1.2.2 穿戴下肢康復(fù)外骨骼18-21
• 1.3 下肢外骨骼控制策略研究現(xiàn)狀21-23
• 1.4 課題來源及研究內(nèi)容23-25
• 第二章 下肢康復(fù)外骨骼機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)25-47
• 2.1 人體下肢運(yùn)動(dòng)特性分析25-29
• 2.1.1 人體下肢結(jié)構(gòu)特性25-27
• 2.1.2 人體典型步態(tài)分析27-29
• 2.2 下肢外骨骼機(jī)器人整體參數(shù)設(shè)計(jì)29-32
• 2.2.1 外骨骼自由度配置29-31
• 2.2.2 外骨骼基本尺寸設(shè)計(jì)31-32
• 2.3 關(guān)節(jié)模塊的設(shè)計(jì)32-42
• 2.3.1 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)選型32-35
• 2.3.2 關(guān)節(jié)模塊的局部運(yùn)動(dòng)學(xué)分析35-36
• 2.3.3 機(jī)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)36-41
• 2.3.4 髖、膝關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)41-42
• 2.4 其他結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)42-44
• 2.4.1 背包結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)42-43
• 2.4.2 踝關(guān)節(jié)與鞋部設(shè)計(jì)43
• 2.4.3 人-機(jī)力交互結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)43-44
• 2.5 關(guān)鍵承力部件力學(xué)性能分析44-45
• 2.6 本章小結(jié)45-47
• 第三章 外骨骼機(jī)器人驅(qū)動(dòng)與控制系統(tǒng)47-54
• 3.1 電機(jī)及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)47-48
• 3.2 傳感系統(tǒng)48-50
• 3.3 控制架構(gòu)50-52
• 3.4 系統(tǒng)調(diào)試軟件52-53
• 3.5 本章小結(jié)53-54
• 第四章 截癱步態(tài)分析及控制策略研究54-72
• 4.1 截癱病人行走可行性分析54-56
• 4.2 截癱病人行走步態(tài)生成方法56-62
• 4.2.1 截癱病人平地行走步態(tài)56-61
• 4.2.2 截癱病人坡地行走步態(tài)61
• 4.2.3 截癱病人行走實(shí)驗(yàn)61-62
• 4.3 截癱病人起立與坐下過程分析62-63
• 4.4 基于穩(wěn)定空間及速度順應(yīng)策略的起坐控制方法63-71
• 4.4.1 三桿質(zhì)量模型及穩(wěn)定空間63-66
• 4.4.2 速度順應(yīng)控制策略66-68
• 4.4.3 截癱病人起坐實(shí)驗(yàn)68-71
• 4.5 本章小結(jié)71-72
• 結(jié)論與展望72-74
• 參考文獻(xiàn)74-78
• 攻讀學(xué)位期間發(fā)表論文與申請專利78-80
• 致謝80

【參考文獻(xiàn)】

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  本文關(guān)鍵詞：可穿戴下肢康復(fù)外骨骼機(jī)器人及其步態(tài)控制，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號：261961