康复型下肢外骨骼结构优化研究

发布时间：2020-11-11 19:31

　　 本课题受国家自然科学基金《“一源多驱”式外骨骼刚柔联动控制方法研究》(编号:91748110)的资助,同时与华山医院联合开展了有关康复型下肢外骨骼结构优化的研究。为了帮助下肢肌肉萎缩病人完成康复训练,本文研究人体各关节的运动机理和人体步态,对康复型外骨骼驱动方式、传动机构和电机等方面进行了对比分析,提出一种改进优化方案。在这个方案中考虑了安全性和舒适性,研制了一套康复型下肢外骨骼。研究中将人体模型进行简化并建立D-H模型,对其进行正向和逆向运动学分析,得到了关节转角与位姿之间的关系;对行走过程中的单腿支撑和双腿支撑的情况建立了相应的七杆模型,并进行了动力学分析,得到了各关节的转矩表达式。通过Adams软件对简化后的康复型下肢外骨骼模型进行动力学仿真分析,得到康复型下肢外骨骼在一个步态周期内的各关节运动曲线、转矩以及执行器机架的受力情况。将得到的关节转矩与计算得到的极限转矩相比较,验证了仿真的准确性。通过ANSYS仿真软件对康复型下肢外骨骼的各模块的重量占比大的零件进行静力学分析,验证外骨骼结构的强度与刚度,并优化应力过大的零件。更换材料后再用拓扑优化对这些零件进行轻量化研究,将外骨骼的整体质量降下来,使之更加的轻便,实用。试验结果表明,优化改进后的康复型下肢外骨骼具有更加合理的结构,优化后整机重量较优化前下降8.4%,主要模块的重量有明显轻量化趋势,改进优化方案实用可行。
【学位单位】：华东理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TH789
【部分图文】：

瑞士苏黎世联邦理工学院（ＥＴＨ）与Ｂａｌｇｒｉｓｔ医学康复中心联合研制的康复外骨骼??ＬＯＫＯＭＡＴ［７］是目前世界上康复外骨骼产品中机械结构巧妙、功能完备、外观精致的康??复下肢外骨骼之一（如图１．３所示）。它的主要作用是协助那些下肢受到过创伤和行动不??便的病人进行下肢康复训练。ＬＯＫＯＭＡＴ具有被动训练以及主动训练两种模式，控制策??略主要是建立在外骨骼康复训练和人机耦合的基础上被动训练模式下，用绑缚装置??将康复型外骨骼与患者下肢绑缚在一起，并且控制电机按照预设曲线运动，这样就可以??实现穿戴者与外骨骼按照预设的步态实时运动，从而达到康复训练的要求，这种模式主??要针对下肢基本丧失自主运动能力的患者。主动训练模式下，穿戴者与外骨骼绑缚在一??起，穿戴者只要有轻微的运动，即产生很小的作用力，康复外骨骼就会实时地随动，随??着穿戴者的运动意图完成行走，从而达到助力的目的。ＬＯＫＯＭＡＴ康复机器人的主体是??两个附接到患者下肢两侧的康复型下肢外骨骼矫形器

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图１．４美国伯克利的外骨骼机器人ｅｌｅｇｓ??Ｆｉｇ．?１．４?Ｂｅｒｋｅｌｅｙ?ｅｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎ?ｒｏｂｏｔ??
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本文编号：2879635