人工肌肉驱动的下肢康复外骨骼的研究
发布时间：2021-07-07 18:23
目前,下肢损伤患者对康复外骨骼的需求日益增加,但市场上的下肢康复外骨骼售价高昂,且存在自重大、柔顺性不佳等缺点,难以满足康复人群的需求。针对上述现状,在对人体下肢功能研究的基础上,设计了一套用于下肢单侧康复的柔性外骨骼系统。该外骨骼通过带有气囊的固定器与使用者的腰部、大腿和小腿结合,采用拮抗布置的气动人工肌肉进行驱动,通过连接件和固定器将人工肌肉收缩产生的拉力作用到人体下肢,从而转化为辅助关节运动的力矩,可以对具有一定步行能力的患者的髋关节和膝关节的屈伸运动进行助力。通过实验的方式对双根并联气动人工肌肉的静态特性与动态特性进行了研究。对静态特性的分析着重于对其等压特性和等张特性的分析,对动态特性的分析则从系统硬件配置和控制算法两方面出发,研究驱动气压、负载、电磁阀配置方式对人工肌肉动态特性的影响,并研究了传统PID算法和模糊自适应PID算法对阶跃信号和正弦信号的响应情况,为人工肌肉在外骨骼中的应用提供依据。通过运动学分析,建立了各组人工肌肉的长度、助力力臂和各关节转角之间的运动学模型,通过基于拉格朗日动力学方法的分析,可得到下肢髋关节和膝关节的驱动力矩模型。在运动学模型和动力学模型的基...
【文章来源】：东南大学江苏省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：83 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
1.1 研究背景
1.2 国内外下肢外骨骼研究现状
1.2.1 国外研究现状
1.2.2 国内研究现状
1.3 论文研究内容
第二章 下肢康复外骨骼结构研究
2.1 人体下肢分析
2.1.1 下肢功能解剖学分析
2.1.2 下肢步行运动分析
2.2 下肢康复外骨骼结构设计
2.2.1 外骨骼结构设计要求
2.2.2 康复自由度分配
2.2.3 外骨骼总体结构设计
2.2.4 人工肌肉交叉布置方案选择
2.2.5 外骨骼的可调节性
2.3 固定器受力分析
2.4 部件强度校核
2.5 本章小结
第三章 气动人工肌肉系统特性研究
3.1 人工肌肉实验系统设计
3.1.1 McKibben型气动人工肌肉
3.1.2 实验平台设计
3.2 人工肌肉静态特性研究
3.2.1 等压特性
3.2.2 等张特性
3.3 人工肌肉动态特性研究
3.3.1 系统硬件配置对动态特性的影响
3.3.2 控制算法对动态特性的影响
3.4 本章小结
第四章 下肢康复外骨骼运动学与动力学分析
4.1 下肢康复外骨骼运动学建模
4.2 下肢康复外骨骼动力学建模
4.2.1 拉格朗日方程
4.2.2 外骨骼动力学模型建立
4.3 人工肌肉连接点位置布置
4.3.1 髋关节前后侧人工肌肉的布置
4.3.2 膝关节前后侧人工肌肉的布置
4.4 膝关节后侧人工肌肉分离型布置方案分析
4.5 本章小结
第五章 下肢康复外骨骼控制系统的设计
5.1 系统总体方案设计
5.2 系统硬件设计
5.2.1 姿态测量模块设计
5.2.2 足底力测量模块设计
5.2.3 肌电采集模块设计
5.2.4 气动阀的选择
5.2.5 传感器的选择
5.2.6 主控板设计
5.3 系统软件设计
5.3.1 下位机软件设计
5.3.2 上位机软件设计
5.4 系统控制策略设计
5.4.1 PID算法的介绍
5.4.2 控制策略的设计
5.4.3 模糊自适应PID控制器的设计
5.5 本章小结
第六章 下肢康复外骨骼实验研究
6.1 样机测试平台搭建
6.2 姿态测量节点测试
6.3 外骨骼助力效果测试
6.4 本章小结
第七章 总结与展望
7.1 研究工作总结
7.2 未来工作展望
致谢
参考文献
作者简介
【参考文献】：
期刊论文
[1]傅利叶智能开创外骨骼机器人新时代 中国自主研发出有“触觉”的机器人[J]. 程子彦. 中国经济周刊. 2017(14)
[2]气动人工肌肉驱动单关节机械臂的自抗扰控制[J]. 赵苓,李奇. 液压与气动. 2017 (03)
[3]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)
[4]关于气体阀门的流量特性定义及计算[J]. 秦胜林. 科技展望. 2016(20)
[5]下肢康复机器人研究进展[J]. 潘志超,徐秀林,肖阳. 中国康复理论与实践. 2016(06)
[6]国内髋膝关节置换患者延续护理的研究现状[J]. 赵岚. 实用临床医学. 2016(05)
[7]助力型下肢外骨骼机器人现状及展望[J]. 欧阳小平,范伯骞,丁硕. 科技导报. 2015(23)
[8]一种踝关节行走助力外骨骼的设计[J]. 向馗,易畅,尹凯阳,葛运建. 华中科技大学学报(自然科学版). 2015(S1)
[9]水压人工肌肉的压力控制与静态特性试验[J]. 张增猛,弓永军,孙正文,侯交义,王祖温. 北京理工大学学报. 2015(09)
[10]人体外骨骼服技术综述[J]. 张向刚,秦开宇,石宇亮. 计算机科学. 2015(08)
博士论文
[1]基于气动肌肉仿人下肢控制系统研究[D]. 姜飞龙.浙江大学 2017
[2]基于气动肌肉外骨骼和功能性电刺激的肢体康复技术研究[D]. 涂细凯.华中科技大学 2016
[3]下肢外骨骼的动力学分析与运动规划[D]. 贾山.东南大学 2016
[4]基于肌电信号的人体下肢运动信息获取技术研究[D]. 吴剑锋.浙江大学 2008
硕士论文
[1]气动肌肉驱动的外骨骼助力系统研究[D]. 李超.浙江大学 2016
[2]下肢外骨骼康复机器人结构设计及控制方法研究[D]. 周海涛.哈尔滨工业大学 2015
[3]两种人体下肢姿态检测技术及其比较研究[D]. 钟波.华中科技大学 2016
[4]可穿戴下肢外骨骼康复机器人机械设计与研究[D]. 王强.电子科技大学 2014
[5]McKibben气动人工肌肉的静动态特性及控制策略研究[D]. 刘明春.兰州理工大学 2009
[6]穿戴式下肢康复机器人的研究[D]. 赵豫玉.哈尔滨工程大学 2009
本文编号：3270134
【文章来源】：东南大学江苏省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：83 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
1.1 研究背景
1.2 国内外下肢外骨骼研究现状
1.2.1 国外研究现状
1.2.2 国内研究现状
1.3 论文研究内容
第二章 下肢康复外骨骼结构研究
2.1 人体下肢分析
2.1.1 下肢功能解剖学分析
2.1.2 下肢步行运动分析
2.2 下肢康复外骨骼结构设计
2.2.1 外骨骼结构设计要求
2.2.2 康复自由度分配
2.2.3 外骨骼总体结构设计
2.2.4 人工肌肉交叉布置方案选择
2.2.5 外骨骼的可调节性
2.3 固定器受力分析
2.4 部件强度校核
2.5 本章小结
第三章 气动人工肌肉系统特性研究
3.1 人工肌肉实验系统设计
3.1.1 McKibben型气动人工肌肉
3.1.2 实验平台设计
3.2 人工肌肉静态特性研究
3.2.1 等压特性
3.2.2 等张特性
3.3 人工肌肉动态特性研究
3.3.1 系统硬件配置对动态特性的影响
3.3.2 控制算法对动态特性的影响
3.4 本章小结
第四章 下肢康复外骨骼运动学与动力学分析
4.1 下肢康复外骨骼运动学建模
4.2 下肢康复外骨骼动力学建模
4.2.1 拉格朗日方程
4.2.2 外骨骼动力学模型建立
4.3 人工肌肉连接点位置布置
4.3.1 髋关节前后侧人工肌肉的布置
4.3.2 膝关节前后侧人工肌肉的布置
4.4 膝关节后侧人工肌肉分离型布置方案分析
4.5 本章小结
第五章 下肢康复外骨骼控制系统的设计
5.1 系统总体方案设计
5.2 系统硬件设计
5.2.1 姿态测量模块设计
5.2.2 足底力测量模块设计
5.2.3 肌电采集模块设计
5.2.4 气动阀的选择
5.2.5 传感器的选择
5.2.6 主控板设计
5.3 系统软件设计
5.3.1 下位机软件设计
5.3.2 上位机软件设计
5.4 系统控制策略设计
5.4.1 PID算法的介绍
5.4.2 控制策略的设计
5.4.3 模糊自适应PID控制器的设计
5.5 本章小结
第六章 下肢康复外骨骼实验研究
6.1 样机测试平台搭建
6.2 姿态测量节点测试
6.3 外骨骼助力效果测试
6.4 本章小结
第七章 总结与展望
7.1 研究工作总结
7.2 未来工作展望
致谢
参考文献
作者简介
【参考文献】：
期刊论文
[1]傅利叶智能开创外骨骼机器人新时代 中国自主研发出有“触觉”的机器人[J]. 程子彦. 中国经济周刊. 2017(14)
[2]气动人工肌肉驱动单关节机械臂的自抗扰控制[J]. 赵苓,李奇. 液压与气动. 2017 (03)
[3]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)
[4]关于气体阀门的流量特性定义及计算[J]. 秦胜林. 科技展望. 2016(20)
[5]下肢康复机器人研究进展[J]. 潘志超,徐秀林,肖阳. 中国康复理论与实践. 2016(06)
[6]国内髋膝关节置换患者延续护理的研究现状[J]. 赵岚. 实用临床医学. 2016(05)
[7]助力型下肢外骨骼机器人现状及展望[J]. 欧阳小平,范伯骞,丁硕. 科技导报. 2015(23)
[8]一种踝关节行走助力外骨骼的设计[J]. 向馗,易畅,尹凯阳,葛运建. 华中科技大学学报(自然科学版). 2015(S1)
[9]水压人工肌肉的压力控制与静态特性试验[J]. 张增猛,弓永军,孙正文,侯交义,王祖温. 北京理工大学学报. 2015(09)
[10]人体外骨骼服技术综述[J]. 张向刚,秦开宇,石宇亮. 计算机科学. 2015(08)
博士论文
[1]基于气动肌肉仿人下肢控制系统研究[D]. 姜飞龙.浙江大学 2017
[2]基于气动肌肉外骨骼和功能性电刺激的肢体康复技术研究[D]. 涂细凯.华中科技大学 2016
[3]下肢外骨骼的动力学分析与运动规划[D]. 贾山.东南大学 2016
[4]基于肌电信号的人体下肢运动信息获取技术研究[D]. 吴剑锋.浙江大学 2008
硕士论文
[1]气动肌肉驱动的外骨骼助力系统研究[D]. 李超.浙江大学 2016
[2]下肢外骨骼康复机器人结构设计及控制方法研究[D]. 周海涛.哈尔滨工业大学 2015
[3]两种人体下肢姿态检测技术及其比较研究[D]. 钟波.华中科技大学 2016
[4]可穿戴下肢外骨骼康复机器人机械设计与研究[D]. 王强.电子科技大学 2014
[5]McKibben气动人工肌肉的静动态特性及控制策略研究[D]. 刘明春.兰州理工大学 2009
[6]穿戴式下肢康复机器人的研究[D]. 赵豫玉.哈尔滨工程大学 2009
本文编号：3270134
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