下肢康复外骨骼机构设计及运动学分析

发布时间：2020-06-17 02:59

【摘要】：随着产业的转型升级和机器人相关技术的发展,机器人技术的应用已经从制造业领域扩展到医疗服务业领域。下肢康复外骨骼机器人作为一种典型的医疗服务机器人,市场需求量大,但是涉及到机械学、生物学、控制科学等多个学科,设计研发的技术难度较大。本文主要从机械学和运动学的角度对人体下肢运动特征进行了研究,并从机构学的角度对外骨骼和人体下肢所构成的空间机构进行了分析,设计了一种新型的柔性联结的外骨骼机构,还采用了多杆机构设计了康复外骨骼的的关节驱动机构,具体研究内容如下。首先分析了人体下肢关节的结构特点和运动特点,并根据各个关节的运动形式,建立了下肢的等效的机构模型,在等效机构模型的基础上建立了下肢的运动学模型和动力学模型,为外骨骼设计和外骨骼-下肢空间机构的运动分析提供理论基础;还分析了正常人步行时的步态特征,确定了康复目标,即外骨骼系统的设计目标。然后针对传统的外骨骼机器人在人体下肢关节和外骨骼机器人关节存在轴线偏差时,会产生过约束的问题,设计了一种柔性联结的外骨骼机构。将外骨骼机器人和下肢作为一个整体机构来分析,并采用螺旋理论,对外骨骼-下肢空间机构的约束进行分析,验证该结构的恰约束性。并建立了外骨骼-下肢空间机构的运动学模型,采用matlab分析人体下肢关节轴线和外骨骼关节轴线存在轴线偏移时,对该系统输出的影响;分别讨论了轴线存在角度偏移和各个方向的位置偏移对输出的影响,找出了对该系统输出影响最大的偏移因素;分析了联结机构机构参数对输出的影响,给出了联结机构参数的选取方法,并选取了最佳的联结机构参数。最后针对典型的下肢康复的步态要求,设计了下肢康复外骨骼机器人驱动机构。分析目标步态曲线的特征,选取了驱动机构的结构形式,建立了驱动机构的数学模型,针对该机构设计的时,非线性约束多,约束与目标函数存在耦合,且无法给出初值的情况,引入了遗传算法作为驱动机构的设计的方法,最终求得了驱动机构参数的全局最优解,并将驱动机构的结构参数进行仿真分析,仿真结果与目标运动函数进行对比,验证了该设计的合理性。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TP242;TH77
【图文】：

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小；避免产生不合理的康复动作，并且防止机械外骨骼对人体的伤害。因此建立合理的典型的下肢运动学模型和外骨骼-下肢系统运动学模型，设计合理的下肢康复机器人的结构，并且设计合理的驱动机构和控制策略，才能给人体下肢提供有效合理的康复训练。本文正是基于此，开展了运动学和机构学方面的研究1.2 国内外研究现状1.2.1 国外研究概况1999 年位于瑞士的 Hocoma 公司发布了一台步态康复机器人 Lokomat，在该机人由三个部分组成，分别是步行机构、减重装置和运动台，其中最核心的部分是具有动力驱动的步行机构[6]。在该系统中，减重装置与人体躯干相连，减轻部分人体量；步行机构穿戴在使用者的下肢上，带动使用者的下肢运；运动台一般为跑步机与步行机构配合，使得使用者按照特定的速度做步行运动[7]。

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华中科技大学硕士学位论文的关节处布置有传感器用于检测下肢的运动状态和肌肉力[9]。2003 年加州大学伯克利分校，研发了一款名为 BLEEX 的外骨骼机器人。该要是给士兵使用，用来增强士兵的负重能力和行走能力[10]；也能给行走障使用，帮助患者行训练，回复下肢行走机能。BLEEX 机器人系统由三个部分别是机械外骨骼、负重单元和动力单元。机械外骨骼是包含两条仿生的与下肢直接相连，机械腿关节由液压缸驱动。该系统还安装有 40 多个传感压驱动装置一起构成了一个闭环系统，传感器实时监测使用者外骨骼系统当前的各项指标，并对系统的驱动装置进行调整[11]。

【参考文献】