隨著我國社會老齡化程度的加劇,由老年疾病或運(yùn)動損傷所帶來的下肢運(yùn)動障礙患者大量增加,我國的康復(fù)醫(yī)療資源供應(yīng)面臨巨大的挑戰(zhàn)。利用康復(fù)機(jī)器人幫助患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練治療,可以有效緩解目前康復(fù)醫(yī)療資源短缺的現(xiàn)狀。本文旨在研發(fā)一款穿戴式踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人,具備幫助患者進(jìn)行早期的被動康復(fù)訓(xùn)練與后期的行走步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練治療的功能。本文主要的研究內(nèi)容如下:首先,針對目前可穿戴踝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、穿戴式舒適性與安全性能差等問題,本文提出了基于單套索驅(qū)動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。利用套索遠(yuǎn)距離驅(qū)動的原理將驅(qū)動端與穿戴端分離,簡化了穿戴端的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性,同時(shí)減輕了穿戴端的重量,提高了穿戴舒適性。此外,基于繩索驅(qū)動與棘輪棘爪原理設(shè)計(jì)了關(guān)節(jié)雙向鎖死機(jī)構(gòu),能夠在任意角度鎖死踝關(guān)節(jié),保證患者在康復(fù)訓(xùn)練中的安全性。其次,針對目前康復(fù)機(jī)器人傳感系統(tǒng)步態(tài)檢測準(zhǔn)確性不高的問題,提出了基于多傳感器信息融合的機(jī)器人傳感系統(tǒng),分別檢測腳掌、踝關(guān)節(jié)與小腿的運(yùn)動與姿態(tài)數(shù)據(jù)。然后,基于傳感器的人體步態(tài)特征數(shù)據(jù),提出了基于多條件約束的零速區(qū)間檢測與步態(tài)特征動作識別的步態(tài)檢測算法,實(shí)現(xiàn)了較高準(zhǔn)確率的人體步態(tài)檢測。再次,基于康復(fù)機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)與踝關(guān)節(jié)的康復(fù)訓(xùn)練需求設(shè)計(jì)了機(jī)器人的控制系統(tǒng)�；趩翁姿黩�(qū)動系統(tǒng)單向拉伸的特點(diǎn),采用庫倫摩擦模型簡化計(jì)算過程對其進(jìn)行了驅(qū)動力分析。在以速度控制為內(nèi)環(huán)的基礎(chǔ)上,提出了驅(qū)動電機(jī)的位置與力矩策略,并在此基礎(chǔ)上結(jié)合傳感系統(tǒng)采集的步態(tài)特征數(shù)據(jù)提出了被動康復(fù)訓(xùn)練以及行走步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練控制策略。最后,設(shè)計(jì)了碳纖維預(yù)浸布熱壓成型的工藝流程,使用碳纖維預(yù)浸布制作了小腿弧形護(hù)板,再與其他部件組裝后制作了實(shí)驗(yàn)原理樣機(jī)。結(jié)合傳感系統(tǒng)與高速攝像系統(tǒng)進(jìn)行人體步態(tài)特征動作的傳感器數(shù)據(jù)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。然后通過步態(tài)識別實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了步態(tài)識別算法的準(zhǔn)確性。本文最后進(jìn)行了模擬被動康復(fù)訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)與行走步態(tài)康復(fù)實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了機(jī)器人整體系統(tǒng)的有效性。
【學(xué)位單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2020
【中圖分類】：TP242
【部分圖文】：

第二章踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)理研究及整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)21顯得尤為重要。本文關(guān)節(jié)鎖死機(jī)構(gòu)與傳統(tǒng)的機(jī)械限位結(jié)構(gòu)不同，傳統(tǒng)的機(jī)械限位結(jié)構(gòu)只能限定兩個(gè)極限位置，而關(guān)節(jié)鎖死機(jī)構(gòu)可以在任意角度鎖死踝關(guān)節(jié)起到保護(hù)作用。驅(qū)動電機(jī)聯(lián)軸器滾珠絲杠及絲杠螺母牽引繩索棘爪連桿Ⅰ棘爪連桿Ⅱ復(fù)位彈簧棘爪棘輪圖2-9踝關(guān)節(jié)鎖死機(jī)構(gòu)示意圖及3D建模由于踝關(guān)節(jié)是人體中主要的承重關(guān)節(jié)，在正常生活與行走中踝關(guān)節(jié)承受了較大的扭矩，所以在鎖死關(guān)節(jié)時(shí)鎖死機(jī)構(gòu)也會承受較大扭矩。本文結(jié)合棘輪棘爪能夠承受較大扭矩的特性與繩索驅(qū)動能夠減小機(jī)械構(gòu)件與驅(qū)動器之間的剛性沖擊的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了踝關(guān)節(jié)雙向鎖死機(jī)構(gòu)。其機(jī)構(gòu)如圖2-9所示，驅(qū)動電機(jī)通過聯(lián)軸器與滾珠絲杠相連，電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動絲杠螺母進(jìn)行直線運(yùn)動，棘爪連桿通過繩索與絲杠螺母相連，繩索牽引棘爪連桿Ⅰ向上運(yùn)動，使棘爪連桿Ⅱ之間的角度減小，棘爪連桿Ⅱ壓縮回彈彈簧使棘爪與棘輪嚙合，此時(shí)關(guān)節(jié)被鎖死。當(dāng)需要釋放關(guān)節(jié)時(shí)，驅(qū)動電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)，絲杠螺母向下運(yùn)動，此時(shí)牽引繩索處于放松狀態(tài)，回彈彈簧釋放能量使棘爪與棘輪分離，關(guān)節(jié)就得以釋放，恢復(fù)活動。2.2.4.1踝關(guān)節(jié)鎖死機(jī)構(gòu)受力分析踝關(guān)節(jié)的雙向鎖死機(jī)構(gòu)是踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人中非常重要的一部分，它關(guān)系到整體機(jī)器人系統(tǒng)安全性能。所以對其進(jìn)行受力分析與強(qiáng)度校核是非常必要的。因?yàn)?

電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文22棘輪棘爪的自鎖性，本文設(shè)計(jì)的關(guān)節(jié)鎖死機(jī)構(gòu)可以由小力矩驅(qū)動而實(shí)現(xiàn)較大鎖死力矩，大大減小了驅(qū)動器的體積以及驅(qū)動功率，正是因?yàn)檫@樣的特性，可以把鎖死機(jī)構(gòu)嵌入到穿戴式設(shè)備中，使其結(jié)構(gòu)更加的緊湊。鎖死機(jī)構(gòu)只有在鎖死關(guān)節(jié)的時(shí)候會承受較大力矩，在釋放狀態(tài)下只承受回彈彈簧較小的回彈力，所以只用分析在鎖死機(jī)構(gòu)鎖死狀態(tài)下受力情況，沒有必要對其進(jìn)行動力學(xué)分析。踝關(guān)節(jié)鎖死機(jī)構(gòu)受力如圖2-10所示。圖2-10踝關(guān)節(jié)鎖死機(jī)構(gòu)受力分析PF為電機(jī)驅(qū)動繩索的牽引力，下面將分析各個(gè)桿件與支撐點(diǎn)的受力情況。對于所有鉸鏈與桿件都有：00iiFM(2-1)對于鉸鏈a有1324FF，且滿足公式（2-1）。根據(jù)式（2-1）可以得到132412yyPFFF，且1324xxFF，由受力分析可知132413240-=0xxyyPFFFFF(2-2)13241324/cos/cos1/2cosyyPFFFFF(2-3)對于1R有1331FF0，同理對于2R有2442FF0，可以得到

電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文24表2-1電機(jī)具體參數(shù)電機(jī)型號Maxon344515Re10額定電壓6-15V空載轉(zhuǎn)速1000r/min額定轉(zhuǎn)矩（最大連續(xù)轉(zhuǎn)矩）1.5mNm額定電流（最大連續(xù)負(fù)載電流）0.713A堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩3.2mNm最大效率76%在進(jìn)行強(qiáng)度校核時(shí)，鎖死電機(jī)失控達(dá)到最大功率并發(fā)生堵轉(zhuǎn)的情況時(shí)電機(jī)的輸出扭矩達(dá)到最大，棘爪連桿Ⅰ所承受的力也達(dá)到最大。本文利用SolidWorks2018中自帶Simulation插件對桿件進(jìn)行靜力學(xué)仿真，驗(yàn)證鎖死機(jī)構(gòu)中的桿件強(qiáng)度是否達(dá)到強(qiáng)度要求。本文中選用滾珠絲杠為日本NTN公司生產(chǎn)的0501絲杠，直徑為5mm，導(dǎo)程為1mm。已知電機(jī)扭矩與滾珠絲杠拉力轉(zhuǎn)換計(jì)算的公式為:1()/(2)aaTFI(2-7)式中aT為驅(qū)動扭矩，aF為軸向負(fù)載，aFFmg，F(xiàn)為絲杠軸向切削力，為導(dǎo)向件的綜合摩擦系數(shù)，m為移動物體重量（工件+工作臺），g為重力系數(shù)，I為絲杠導(dǎo)程，1為進(jìn)給絲杠正效率。圖2-11棘爪連桿Ⅰ受力情況分析本文中取10.75，0.8，根據(jù)式(2-7)可以得到當(dāng)電機(jī)發(fā)生堵轉(zhuǎn)時(shí)296aFN。在本次受力分析中只是考慮桿件有可能受到的最大拉力，忽略了驅(qū)動繩索的拉伸量，當(dāng)電機(jī)驅(qū)動滾珠絲杠拉動繩索到極限位置電機(jī)發(fā)生堵轉(zhuǎn)時(shí)1/2PaFF，桿件1R的受力情況如圖2-11所示。通過式(2-3)計(jì)算可以得到3124FF134N。在本文中關(guān)節(jié)鎖死機(jī)構(gòu)的材料為質(zhì)量輕且強(qiáng)度高的7075鋁合金，可以在提高機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度的前提下減小穿戴式踝關(guān)節(jié)機(jī)器人的整體重量。7075鋁合金的主要性能參數(shù)如表2-2所示。
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2861258