足底驱动步态模拟机构运动学设计与静态性能分析研究

发布时间：2020-05-01 21:25

【摘要】：本文密切结合新型下肢康复训练机器人自主创新需求,在国家自然科学基金的资助下,提出了一种新型下肢康复训练机器人,系统研究了足底驱动步态模拟并联机构的运动学、静刚度半解析建模、全域静态特性快速预估及有限元建模方法等内容。论文工作及成果如下:针对下肢康复训练的运动需求,提出了一种三自由度足底驱动步态模拟并联机构,简要分析了该机构的组成原理和运动特点;采用矢量链法推导出并联机构的运动学正、逆解解析模型,得到了位置正解解析表达式;基于螺旋理论建立机构的广义雅克比矩阵,并采用遗传算法研究该机构的运动学优化设计问题;基于运动学逆解模型并结合具体算例,提出了考虑气动人工肌肉收缩长度限制的姿态可达空间搜索方法。借助虚功原理和子结构综合的思想,提出了一种考虑所有驱动支链、约束支链以及转动支架弹性变形的静刚度半解析建模方法;根据各驱动支链、约束支链以及转动支架的机械结构和力流传递关系,实现了界面柔度的精细建模,推导了各构件的等效柔度矩阵表达式;通过静态特性实验,获取了气动人工肌肉的静态特性曲线图,推导了气动人工肌肉静刚度关于气压和收缩率的函数表达式;结合具体算例,运用静刚度半解析建模方法计算了初始位姿状态下末端参考点各向线刚度及动平台角刚度,并得到了机构在姿态任务空间内的静刚度分布图。借助SAMCEF软件和天津大学开发的机器人静动态特性快速预估系统,提出了一种快速建立并联机构整机有限元模型的有效方法,建立了所提出并联机构各零部件的精细化有限元等效模型,实现了整机模型的静态特性全域快速预估,计算出姿态任务空间内末端参考点各向线刚度和动平台角刚度分布规律,并对比验证了静刚度半解析建模方法的有效性。本课题所开展的足底驱动步态模拟机构的运动学设计与静态性能分析研究对于改善机构的运动学性能、静态特性具有重要意义。
【图文】：

康复机器人,下肢,康复训练

其中，瑞士 Hocoma 公司推出的 Lokomat 就是运动平板式下肢康复训练机器人的典型代表。如图 1-1(a) 所示，Lokomat 系统主要由减重装置、外骨骼式步态矫正器和医用同步运动跑步机组成，可带动患者下肢按照正常人体步态轨迹进行康复训练，有效地改善患者的日常步行能力，同时实现了下肢康复训练的全自动化[13, 14]。图 1-1(b) 为美国 Woodway 公司研制的下肢康复训练系统LokoHelp，该系统通过增添动力腿矫形器“Pedago”，能够进一步改善患者的步态运动能力。除上述特点外，该康复系统还具有设备轻巧、结构简单、功能集成化程度高且可实现主被动双重康复训练模式等优点[15, 16]。相关研究结果表明，通过将目标导向式步态训练模式与机械步态训练装置相结合，有助于改善患者的步行和日常行为能力[17]。类似地，美国 Motorika 公司研究开发了一种由减重支撑系统、步态矫正装置和医用跑步机组成的康复机器人 Moto-Reo Ambulator[18, 19](图 1-2(a) )。采用一体化设计的 Moto-Reo Ambulato 康复机器人，既能够带动患者下肢进行被动训练，又能够满足患者的下肢主动训练需求，而且更加注重对训练过程的监控，具备报警系统，以确保康复训练过程的安全性。

康复机器人,下肢

代可编程式下肢康复训练系统 Haptic Walker[21]。通过将外骨骼机器人与跑机结合，并辅以可编程且具有触觉功能的末端踏板，该系统可以根据生物馈信息实时测量分析和有效监控患者的步态训练过程。除可实现基本的平和上下台阶等训练模式外，Haptic Walker 还可为患者提供较为复杂的下肢练。图 1-3(a) 所示为 Reha-Technology 公司研制的 G-EO 足底平台式康复统，该系统由步态模拟机构、重力平衡系统和重心调整系统组成，，其中步机构可以实现人体矢状面内三个自由度转动和移动运动，还可通过编程带下肢完成爬楼梯等特殊训练。G-EO 康复系统具有主被动两种康复训练模过设置在足底的力传感器可以实现对患者下肢的柔顺控制，具有动态响应高的优点[22]，但 G-EO 系统同样具有设备体积庞大和不易移动等缺陷。瑞士 Swortec SA 公司推出的 WalkTrainer 是移动式下肢康复训练机器人典型代表（图 1-3(b)）。该机器人系统包括移动平台、骨盆控制模块、重装置、动力外骨骼及实时功能性电刺激 (FES) 模块[23, 24]。在康复训练过alkTrainer 能够跟随患者意愿自由移动，不影响患者足部与地面的直接接
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH112

【参考文献】