基于生物力学分析的下肢康复并联机构设计与仿真研究
发布时间：2020-12-25 19:31
本文密切结合下肢康复机器人设计需求,在国家自然科学基金的资助下,提出一种利用主要动力肌肉训练替代步态模拟的康复训练方法,并基于生物力学仿真,系统研究了一种足底驱动3自由度下肢康复并联机构的康复轨迹规划、运动学分析、控制及运动仿真分析等内容。论文取得如下成果:(1)基于人体下肢运动生物力学仿真分析和步行主要动力肌肉的基本训练形式及功能研究,确定了步行中的主要动力肌肉,进而提出一种利用主要动力肌肉训练替代步态模拟的康复训练方法,降低了下肢康复机构设计的复杂性,并确定了足底驱动式下肢康复机构动平台的自由度类型、数目及运动范围。(2)基于抛物线型过渡域线性轨迹,分别开展动平台3个自由度的轨迹规划研究,结合人体解剖学和生物力学仿真试验,对不同自由度的运动组合形式进行筛选,确定了替代人体步行轨迹的复合康复轨迹;在此基础上,提出康复训练评价指标,验证了步行主要动力肌肉的肌力和活性满足康复训练强度要求。(3)根据复合康复轨迹和下肢康复机构设计要求,提出了一种冗余柔性驱动两转一平下肢康复并联机构,结合设计的复合康复轨迹,完成了机构逆运动学数值仿真分析,为后续的虚拟样机仿真奠定了基础;在此基础上,提出控制...
【文章来源】：天津大学天津市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
跑步机式下肢康复机器人((a)Lokomat;(b)AutoAmbulator;(c)LOPESFigure1-1Exoskeletonrehabilitationrobotforlowerlimbs:(a)
可实现患者的主动康复训练。由浙江大学研制的外骨骼下肢康复机器人[29]如图1-2(c) 所示，机器人采用气动肌肉模拟人体下肢主要肌群的运动，能够实现髋关节与膝关节在矢状面内的两个运动自由度。通过上述分析可知，外骨骼式下肢康复机器人的驱动器一般布置在髋关节和膝关节处，通过驱动患者下肢模拟人体正常步行运动。通常，外骨骼式下肢康复机器人需要患者具有一定的下肢运动能力，在使用时需要根据不同患者的体态特征调节外骨骼机构尺寸，穿戴较为繁琐。此外，由于采用了跑步机，使得康复训练被局限于单一平面内，跑步机与外骨骼运动不同步时有可能造成人体关节反张，导致二次伤害。(2) 足底平台式下肢康复机器人(a)图 1-2 外骨骼式下肢康复机器人 (a)ALEX III；(b) 上海大学外骨骼；(c) 浙江大学外骨骼Figure 1-2 Exoskeleton rehabilitation robot for lower limbs: (a) ALEX III; (b) ShanghaiUniversity’s exoskeleton and (c) Zhejian
图 1-3(a) 所示为德国自由大学研制的下肢康复机器人 MGT (MechanizedGait Trainer)[31-34]。该机器人采用单自由度双曲柄摇杆机构，通过踏板运动带动人体下肢模拟往复步态的椭圆运动轨迹，具有结构简单、使用方便等特点。新型六自由度下肢康复机器人 Hapticwalker[35-38]，如图 1-3(b) 所示，该机器人可实现矢状面内多种轨迹和姿态运动，同时结合虚拟现实技术，通过逼真的步行环境模拟，提高了康复疗效。为避免康复机器人急停对患者造成二次伤害，系统还设置了冗余的硬件和软件急停回路[38]。G-EO system 下肢康复机器人[39-41]由意大利 Reha-Technology 公司研制，如图 1-3(c) 所示。该机器人的踏板运动轨迹可通过编程修改，从而调整步长和步速，并可以模拟上/下楼梯的下肢运动，同时具有主动、被动两种训练模式。德国 WOODWAY 公司研制的小型下肢康复机器人LokoHelp[42]如图 1-4(a) 所示。该机器人通过跑步机的运动带动步态矫正器协同运动，引导足、膝、髋关节运动，从而完成下肢的康复训练[43]，具有驱动方式简单、体积较小等优点。哈尔滨工程大学围绕足底驱动式下肢康复机器人开展了大量的研究工作，研制的考虑跖趾关节运动的下肢康复机器人如图 1-4(b) 所示。该机器人包含脚踏
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于高速开关阀的气动人工肌肉轨迹跟踪控制仿真[J]. 谢胜龙,刘海涛,梅江平,王攀峰. 农业机械学报. 2017(01)
[2]单自由度可调下肢康复机器人机构优化设计[J]. 项忠霞,邵一鑫,李力力. 天津大学学报(自然科学与工程技术版). 2017(08)
[3]基于Anybody的自行车骑行运动仿真与试验分析[J]. 高飞,项忠霞,赵明,李力力,胡志刚,张健. 机械设计. 2016(01)
[4]气动换挡执行机构压力特性仿真与试验[J]. 沈文臣,胡宇辉,余天啸,席军强,陈慧岩. 农业机械学报. 2016(02)
[5]一种外骨骼式康复机器人训练效果仿真[J]. 项忠霞,赵明,高飞,金腾,胡志刚,张健. 天津大学学报(自然科学与工程技术版). 2016(07)
[6]基于AnyBody的髋关节康复训练肌肉力的分析[J]. 单丽君,胡忠安. 大连交通大学学报. 2014(01)
[7]一种新型6自由度运动平台的控制研究[J]. 施昕昕,常思勤. 机械工程学报. 2014(03)
[8]基于AnyBody的汽车驾驶中人体腿部逆向动力学仿真[J]. 丁晨,王君泽,高瞻. 中国生物医学工程学报. 2013(01)
[9]Synchronous tracking control of 6-DOF hydraulic parallel manipulator using cascade control method[J]. 皮阳军,王宣银,顾曦. Journal of Central South University of Technology. 2011(05)
[10]临床护理路径在脑卒中患者肢体康复中的应用研究[J]. 郑舟军,戎燕,张丽平,龚戬芳,刘文琴,郁迪. 浙江中医药大学学报. 2011(03)
博士论文
[1]卧式下肢康复机器人研究[D]. 孙洪颖.哈尔滨工程大学 2011
[2]康复机器人样机研制及步态控制研究[D]. 王令军.哈尔滨工程大学 2010
[3]步行康复训练助行腿机器人系统[D]. 冯治国.上海大学 2009
[4]下肢康复训练机器人关键技术研究[D]. 张晓超.哈尔滨工程大学 2009
[5]人体下肢关节系统的生物力学行为研究[D]. 姜海波.中国矿业大学 2008
硕士论文
[1]基于AnyBody生物力学仿真的驾驶姿势舒适机理研究[D]. 华猛.吉林大学 2015
[2]基于AnyBody的汽车驾驶员坐姿生物力学特性分析及舒适性设计[D]. 李文昊.山东大学 2015
[3]下肢康复训练机器人设计与研究[D]. 张冰.长春工业大学 2015
[4]下肢康复机器人的分析与研究[D]. 刘林.沈阳工业大学 2015
[5]下肢康复机器人步态规划的宜人性研究[D]. 周晓晨.河北工业大学 2015
[6]新型绳驱动并联踝关节康复机构设计及分析[D]. 禹润田.北京交通大学 2015
[7]基于高速开关阀的气动高精度运动控制系统关键技术研究[D]. 王晓龙.浙江大学 2013
[8]运动型自行车车架设计方法研究[D]. 李亚南.天津大学 2012
[9]肩关节康复训练机器人的设计与研究[D]. 蔡峰.大连交通大学 2012
[10]基于人机工程学的自行车设计方法研究与应用[D]. 吴小凡.天津大学 2008
本文编号：2938260
【文章来源】：天津大学天津市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
跑步机式下肢康复机器人((a)Lokomat;(b)AutoAmbulator;(c)LOPESFigure1-1Exoskeletonrehabilitationrobotforlowerlimbs:(a)
可实现患者的主动康复训练。由浙江大学研制的外骨骼下肢康复机器人[29]如图1-2(c) 所示，机器人采用气动肌肉模拟人体下肢主要肌群的运动，能够实现髋关节与膝关节在矢状面内的两个运动自由度。通过上述分析可知，外骨骼式下肢康复机器人的驱动器一般布置在髋关节和膝关节处，通过驱动患者下肢模拟人体正常步行运动。通常，外骨骼式下肢康复机器人需要患者具有一定的下肢运动能力，在使用时需要根据不同患者的体态特征调节外骨骼机构尺寸，穿戴较为繁琐。此外，由于采用了跑步机，使得康复训练被局限于单一平面内，跑步机与外骨骼运动不同步时有可能造成人体关节反张，导致二次伤害。(2) 足底平台式下肢康复机器人(a)图 1-2 外骨骼式下肢康复机器人 (a)ALEX III；(b) 上海大学外骨骼；(c) 浙江大学外骨骼Figure 1-2 Exoskeleton rehabilitation robot for lower limbs: (a) ALEX III; (b) ShanghaiUniversity’s exoskeleton and (c) Zhejian
图 1-3(a) 所示为德国自由大学研制的下肢康复机器人 MGT (MechanizedGait Trainer)[31-34]。该机器人采用单自由度双曲柄摇杆机构，通过踏板运动带动人体下肢模拟往复步态的椭圆运动轨迹，具有结构简单、使用方便等特点。新型六自由度下肢康复机器人 Hapticwalker[35-38]，如图 1-3(b) 所示，该机器人可实现矢状面内多种轨迹和姿态运动，同时结合虚拟现实技术，通过逼真的步行环境模拟，提高了康复疗效。为避免康复机器人急停对患者造成二次伤害，系统还设置了冗余的硬件和软件急停回路[38]。G-EO system 下肢康复机器人[39-41]由意大利 Reha-Technology 公司研制，如图 1-3(c) 所示。该机器人的踏板运动轨迹可通过编程修改，从而调整步长和步速，并可以模拟上/下楼梯的下肢运动，同时具有主动、被动两种训练模式。德国 WOODWAY 公司研制的小型下肢康复机器人LokoHelp[42]如图 1-4(a) 所示。该机器人通过跑步机的运动带动步态矫正器协同运动，引导足、膝、髋关节运动，从而完成下肢的康复训练[43]，具有驱动方式简单、体积较小等优点。哈尔滨工程大学围绕足底驱动式下肢康复机器人开展了大量的研究工作，研制的考虑跖趾关节运动的下肢康复机器人如图 1-4(b) 所示。该机器人包含脚踏
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于高速开关阀的气动人工肌肉轨迹跟踪控制仿真[J]. 谢胜龙,刘海涛,梅江平,王攀峰. 农业机械学报. 2017(01)
[2]单自由度可调下肢康复机器人机构优化设计[J]. 项忠霞,邵一鑫,李力力. 天津大学学报(自然科学与工程技术版). 2017(08)
[3]基于Anybody的自行车骑行运动仿真与试验分析[J]. 高飞,项忠霞,赵明,李力力,胡志刚,张健. 机械设计. 2016(01)
[4]气动换挡执行机构压力特性仿真与试验[J]. 沈文臣,胡宇辉,余天啸,席军强,陈慧岩. 农业机械学报. 2016(02)
[5]一种外骨骼式康复机器人训练效果仿真[J]. 项忠霞,赵明,高飞,金腾,胡志刚,张健. 天津大学学报(自然科学与工程技术版). 2016(07)
[6]基于AnyBody的髋关节康复训练肌肉力的分析[J]. 单丽君,胡忠安. 大连交通大学学报. 2014(01)
[7]一种新型6自由度运动平台的控制研究[J]. 施昕昕,常思勤. 机械工程学报. 2014(03)
[8]基于AnyBody的汽车驾驶中人体腿部逆向动力学仿真[J]. 丁晨,王君泽,高瞻. 中国生物医学工程学报. 2013(01)
[9]Synchronous tracking control of 6-DOF hydraulic parallel manipulator using cascade control method[J]. 皮阳军,王宣银,顾曦. Journal of Central South University of Technology. 2011(05)
[10]临床护理路径在脑卒中患者肢体康复中的应用研究[J]. 郑舟军,戎燕,张丽平,龚戬芳,刘文琴,郁迪. 浙江中医药大学学报. 2011(03)
博士论文
[1]卧式下肢康复机器人研究[D]. 孙洪颖.哈尔滨工程大学 2011
[2]康复机器人样机研制及步态控制研究[D]. 王令军.哈尔滨工程大学 2010
[3]步行康复训练助行腿机器人系统[D]. 冯治国.上海大学 2009
[4]下肢康复训练机器人关键技术研究[D]. 张晓超.哈尔滨工程大学 2009
[5]人体下肢关节系统的生物力学行为研究[D]. 姜海波.中国矿业大学 2008
硕士论文
[1]基于AnyBody生物力学仿真的驾驶姿势舒适机理研究[D]. 华猛.吉林大学 2015
[2]基于AnyBody的汽车驾驶员坐姿生物力学特性分析及舒适性设计[D]. 李文昊.山东大学 2015
[3]下肢康复训练机器人设计与研究[D]. 张冰.长春工业大学 2015
[4]下肢康复机器人的分析与研究[D]. 刘林.沈阳工业大学 2015
[5]下肢康复机器人步态规划的宜人性研究[D]. 周晓晨.河北工业大学 2015
[6]新型绳驱动并联踝关节康复机构设计及分析[D]. 禹润田.北京交通大学 2015
[7]基于高速开关阀的气动高精度运动控制系统关键技术研究[D]. 王晓龙.浙江大学 2013
[8]运动型自行车车架设计方法研究[D]. 李亚南.天津大学 2012
[9]肩关节康复训练机器人的设计与研究[D]. 蔡峰.大连交通大学 2012
[10]基于人机工程学的自行车设计方法研究与应用[D]. 吴小凡.天津大学 2008
本文编号：2938260
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