發(fā)布時間：2020-10-29 18:02

　　 隨著我國社會老齡化程度的加劇,由老年疾病或運動損傷所帶來的下肢運動障礙患者大量增加,我國的康復醫(yī)療資源供應面臨巨大的挑戰(zhàn)。利用康復機器人幫助患者進行康復訓練治療,可以有效緩解目前康復醫(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)康復機器人,具備幫助患者進行早期的被動康復訓練與后期的行走步態(tài)康復訓練治療的功能。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)計中存在的結(jié)構(gòu)復雜、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)計方案。利用套索遠距離驅(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)復雜性,同時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)計了關(guān)節(jié)雙向鎖死機構(gòu),能夠在任意角度鎖死踝關(guān)節(jié),保證患者在康復訓練中的安全性。其次,針對目前康復機器人傳感系統(tǒng)步態(tài)檢測準確性不高的問題,提出了基于多傳感器信息融合的機器人傳感系統(tǒng),分別檢測腳掌、踝關(guān)節(jié)與小腿的運動與姿態(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,實現(xiàn)了較高準確率的人體步態(tài)檢測。再次,基于康復機器人整體結(jié)構(gòu)與踝關(guān)節(jié)的康復訓練需求設(shè)計了機器人的控制系統(tǒng)�；趩翁姿黩�(qū)動系統(tǒng)單向拉伸的特點,采用庫倫摩擦模型簡化計算過程對其進行了驅(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)提出了被動康復訓練以及行走步態(tài)康復訓練控制策略。最后,設(shè)計了碳纖維預浸布熱壓成型的工藝流程,使用碳纖維預浸布制作了小腿弧形護板,再與其他部件組裝后制作了實驗原理樣機。結(jié)合傳感系統(tǒng)與高速攝像系統(tǒng)進行人體步態(tài)特征動作的傳感器數(shù)據(jù)標定實驗。然后通過步態(tài)識別實驗,驗證了步態(tài)識別算法的準確性。本文最后進行了模擬被動康復訓練實驗與行走步態(tài)康復實驗,驗證了機器人整體系統(tǒng)的有效性。
【學位單位】：電子科技大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2020
【中圖分類】：TP242
【部分圖文】：

第二章踝關(guān)節(jié)康復機理研究及整體結(jié)構(gòu)設(shè)計21顯得尤為重要。本文關(guān)節(jié)鎖死機構(gòu)與傳統(tǒng)的機械限位結(jié)構(gòu)不同，傳統(tǒng)的機械限位結(jié)構(gòu)只能限定兩個極限位置，而關(guān)節(jié)鎖死機構(gòu)可以在任意角度鎖死踝關(guān)節(jié)起到保護作用。驅(qū)動電機聯(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復位彈簧棘爪棘輪圖2-9踝關(guān)節(jié)鎖死機構(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)時鎖死機構(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)動能夠減小機械構(gòu)件與驅(qū)動器之間的剛性沖擊的特點，設(shè)計了踝關(guān)節(jié)雙向鎖死機構(gòu)。其機構(gòu)如圖2-9所示，驅(qū)動電機通過聯(lián)軸器與滾珠絲杠相連，電機旋轉(zhuǎn)帶動絲杠螺母進行直線運動，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，此時關(guān)節(jié)被鎖死。當需要釋放關(guān)節(jié)時，驅(qū)動電機反向旋轉(zhuǎn)，絲杠螺母向下運動，此時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，恢復活動。2.2.4.1踝關(guān)節(jié)鎖死機構(gòu)受力分析踝關(guān)節(jié)的雙向鎖死機構(gòu)是踝關(guān)節(jié)康復機器人中非常重要的一部分，它關(guān)系到整體機器人系統(tǒng)安全性能。所以對其進行受力分析與強度校核是非常必要的。因為

電子科技大學碩士學位論文22棘輪棘爪的自鎖性，本文設(shè)計的關(guān)節(jié)鎖死機構(gòu)可以由小力矩驅(qū)動而實現(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，正是因為這樣的特性，可以把鎖死機構(gòu)嵌入到穿戴式設(shè)備中，使其結(jié)構(gòu)更加的緊湊。鎖死機構(gòu)只有在鎖死關(guān)節(jié)的時候會承受較大力矩，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構(gòu)鎖死狀態(tài)下受力情況，沒有必要對其進行動力學分析。踝關(guān)節(jié)鎖死機構(gòu)受力如圖2-10所示。圖2-10踝關(guān)節(jié)鎖死機構(gòu)受力分析PF為電機驅(qū)動繩索的牽引力，下面將分析各個桿件與支撐點的受力情況。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

電子科技大學碩士學位論文24表2-1電機具體參數(shù)電機型號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)負載電流）0.713A堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩3.2mNm最大效率76%在進行強度校核時，鎖死電機失控達到最大功率并發(fā)生堵轉(zhuǎn)的情況時電機的輸出扭矩達到最大，棘爪連桿Ⅰ所承受的力也達到最大。本文利用SolidWorks2018中自帶Simulation插件對桿件進行靜力學仿真，驗證鎖死機構(gòu)中的桿件強度是否達到強度要求。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，導程為1mm。已知電機扭矩與滾珠絲杠拉力轉(zhuǎn)換計算的公式為:1()/(2)aaTFI(2-7)式中aT為驅(qū)動扭矩，aF為軸向負載，aFFmg，F(xiàn)為絲杠軸向切削力，為導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為絲杠導程，1為進給絲杠正效率。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)可以得到當電機發(fā)生堵轉(zhuǎn)時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，當電機驅(qū)動滾珠絲杠拉動繩索到極限位置電機發(fā)生堵轉(zhuǎn)時1/2PaFF，桿件1R的受力情況如圖2-11所示。通過式(2-3)計算可以得到3124FF134N。在本文中關(guān)節(jié)鎖死機構(gòu)的材料為質(zhì)量輕且強度高的7075鋁合金，可以在提高機構(gòu)的強度的前提下減小穿戴式踝關(guān)節(jié)機器人的整體重量。7075鋁合金的主要性能參數(shù)如表2-2所示。
【參考文獻】

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本文編號：2861258