可穿戴式助行机器人样机研制
发布时间：2020-12-09 12:47
随着当今科技的快速发展,外骨骼机器人作为一种人机一体化的机械装置,在生物医学、军事和民用领域都展现出了广泛的应用前景,对外骨骼机器人的研究就具有愈发重要的意义和价值。根据使用对象的不同可将外骨骼机器人分为三种类型:运动辅助型、步态康复型、负重增强型。其中运动辅助型主要针对的是下肢完全丧失了运动能力以及感知能力的瘫痪患者;步态康复型用于帮助运动障碍患者恢复肌肉力量和步态训练;负重增强型主要用于增强健康穿戴者的负重能力,也可减轻疲劳和损伤。本文研究并设计了一种新型用于辅助患者运动以及康复训练的可穿戴式助行机器人,主要涉及到机械结构和控制系统的设计,采用理论分析与仿真相结合的方法对其展开了一定的研究。具体内容如下:首先,对当前助行机器人的研究现状进行了总结,分析了现有助行机器人的优缺点。根据人体的运动特点对助行机器人的工作原理进行了分析,针对现有的不足之处,提出了一种新型的串并混连助行机器人机构,并完成了机构总体方案设计,该机构可兼具串联机构工作空间大和并联机构稳定性高的优点,各关节具体自由度配置如下:髋关节2个自由度（外展/内收、前屈/后伸）,膝关节1个自由度（前屈/后伸）,踝关节3个自由...
【文章来源】：南昌大学江西省 211工程院校
【文章页数】：83 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
HALIHMC运动辅助外骨骼中[11]
图 1.5 RewalkTM图 1.6 ElegsABLE 助力装置由下肢外骨骼、拐杖以及脚底支撑板组成，可以帮助患实现起立、站立、上楼的基本功能[15]，共有 3 个自由度，分别是髋关节与膝节的前屈与后伸，以及踝关节处的一个自由度，实现跖屈与背屈，如图 1.7 示。它们之间的协同使用要据情况而定。例如，在直线行走时，外骨骼关节的角度都是固定的，通过与下肢相连的脚底支撑板推动穿戴者前进；站姿转时，外骨骼抬起穿戴者的腿，同时脚底支撑板旋转；在起立、坐下，上楼和楼阶段，外骨骼基于运动模型计算来实现辅助髋关节和膝关节的的运动控制（使用拐杖）。腿部瘫痪的患者在穿戴该装置的情况下完成了起立、沿直线稳行走，验证了该装置的可行性。G. Belforte 等研发的气动步态矫形器采用气动驱动系统驱动髋关节和膝节前屈、后伸运动[16]。气动执行器由电磁阀控制，髋关节和膝关节前屈、后的速度是可以通过空气流量调节器分别实现控制，每个关节阀的开/关控制是过参考临床步态数据所预设的。该装置除了进行台架测试外，健康的实验人与截瘫患者也对其进行了验证，结果表明：该矫形器可以对两种使用者都起
图 1.7ABLE 图 1.8 Vanderbilt（范德堡）LEE亚洲理工学院研发的下肢外骨骼的髋关节有 3 个自由度[17]，膝关节有 1 个度（前屈、后伸），踝关节有 2 个自由度（跖屈、背屈与内翻、外翻），运动共由 12 个直流电机进行控制。该外骨骼的关节轨迹是基于其动力学模线生成的，为了保证平衡，模型采用了零力矩点（ZMP）指标。在使用中，时估计 ZMP，并且为了补偿由于干扰或不确定性影响造成的误差，实时 和参考 ZMP 之间的差异会反馈到模糊逻辑控制器进行处理，踝关节的转及俯仰角度也会根据其处理结果进行相应调整。范德堡大学研发的下肢矫形器可帮助 SCI 患者实现髋关节和膝关节的前后伸运动，踝关节处为消极自由度，下肢共 3 个自由度[18]。可实现坐下、和前进，其关节运动轨迹均是根据实验人员步态数据进行预设，并采用了系统。为了在站立阶段使脚踝处于稳定状态，并避免在摆动阶段发生足下该矫形器在脚步使用了标准的 AFO(Ankle–foot orthosis)装置。出于安全考膝关节装有制动器，以防突发的断电情况。一位患有完全性脊髓损伤的截者在配合使用拐杖的情况下穿戴该矫形器进行了实验，他可以以 0.8km/h
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于向量组的动静平台几何装配条件自动分析与综合方法[J]. 谢冬福,罗玉峰,石志新,彭艳蓝. 中国机械工程. 2017(24)
[2]一平移三转动并联机构型综合及分类[J]. 谢冬福,罗玉峰,石志新,何新勇,刘杰. 机械设计与研究. 2016(06)
[3]3T1R并联机构结构设计与位置分析[J]. 石志新,叶梅燕,罗玉峰,杨廷力. 农业机械学报. 2016(08)
[4]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)
[5]机器人运动学分析实验教学方案研究[J]. 徐春梅. 实验科学与技术. 2014(02)
[6]下肢外骨骼机器人的现状与展望[J]. 周达岸,李建军. 中国康复理论与实践. 2013(12)
[7]外骨骼助力机器人结构设计及动力学仿真[J]. 高羽翯,张虎,宋遒志. 新技术新工艺. 2013(05)
[8]基于方位特征的六自由度并联机构型综合[J]. 邓嘉鸣,余同柱,沈惠平,李云峰,李菊,杨廷力. 中国机械工程. 2012(21)
[9]中国人口老龄化现状分析[J]. 黄毅,佟晓光. 中国老年学杂志. 2012(21)
[10]方位特征集法在三平移并联机构型综合中的应用[J]. 余同柱,沈惠平,邓嘉鸣,孟庆梅,朱伟,杨廷力. 机械设计. 2012(08)
硕士论文
[1]下肢外骨骼机器人的建模和控制策略研究[D]. 章心忆.南京理工大学 2017
[2]助力外骨骼下肢控制技术研究[D]. 潘忠强.浙江大学 2015
[3]外骨骼机器人设计[D]. 陈浩.上海交通大学 2013
[4]穿戴式下肢外骨骼机构分析与设计[D]. 尹军茂.北京工业大学 2010
[5]工业机器人运动学建模与仿真研究[D]. 夏发平.华中科技大学 2007
[6]基于肌电信号控制的康复医疗下肢外骨骼设计及研究[D]. 费烨赟.浙江大学 2006
[7]人体下肢外骨骼工作机理研究[D]. 赵彦峻.南京理工大学 2006
本文编号：2906883
【文章来源】：南昌大学江西省 211工程院校
【文章页数】：83 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
HALIHMC运动辅助外骨骼中[11]
图 1.5 RewalkTM图 1.6 ElegsABLE 助力装置由下肢外骨骼、拐杖以及脚底支撑板组成，可以帮助患实现起立、站立、上楼的基本功能[15]，共有 3 个自由度，分别是髋关节与膝节的前屈与后伸，以及踝关节处的一个自由度，实现跖屈与背屈，如图 1.7 示。它们之间的协同使用要据情况而定。例如，在直线行走时，外骨骼关节的角度都是固定的，通过与下肢相连的脚底支撑板推动穿戴者前进；站姿转时，外骨骼抬起穿戴者的腿，同时脚底支撑板旋转；在起立、坐下，上楼和楼阶段，外骨骼基于运动模型计算来实现辅助髋关节和膝关节的的运动控制（使用拐杖）。腿部瘫痪的患者在穿戴该装置的情况下完成了起立、沿直线稳行走，验证了该装置的可行性。G. Belforte 等研发的气动步态矫形器采用气动驱动系统驱动髋关节和膝节前屈、后伸运动[16]。气动执行器由电磁阀控制，髋关节和膝关节前屈、后的速度是可以通过空气流量调节器分别实现控制，每个关节阀的开/关控制是过参考临床步态数据所预设的。该装置除了进行台架测试外，健康的实验人与截瘫患者也对其进行了验证，结果表明：该矫形器可以对两种使用者都起
图 1.7ABLE 图 1.8 Vanderbilt（范德堡）LEE亚洲理工学院研发的下肢外骨骼的髋关节有 3 个自由度[17]，膝关节有 1 个度（前屈、后伸），踝关节有 2 个自由度（跖屈、背屈与内翻、外翻），运动共由 12 个直流电机进行控制。该外骨骼的关节轨迹是基于其动力学模线生成的，为了保证平衡，模型采用了零力矩点（ZMP）指标。在使用中，时估计 ZMP，并且为了补偿由于干扰或不确定性影响造成的误差，实时 和参考 ZMP 之间的差异会反馈到模糊逻辑控制器进行处理，踝关节的转及俯仰角度也会根据其处理结果进行相应调整。范德堡大学研发的下肢矫形器可帮助 SCI 患者实现髋关节和膝关节的前后伸运动，踝关节处为消极自由度，下肢共 3 个自由度[18]。可实现坐下、和前进，其关节运动轨迹均是根据实验人员步态数据进行预设，并采用了系统。为了在站立阶段使脚踝处于稳定状态，并避免在摆动阶段发生足下该矫形器在脚步使用了标准的 AFO(Ankle–foot orthosis)装置。出于安全考膝关节装有制动器，以防突发的断电情况。一位患有完全性脊髓损伤的截者在配合使用拐杖的情况下穿戴该矫形器进行了实验，他可以以 0.8km/h
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于向量组的动静平台几何装配条件自动分析与综合方法[J]. 谢冬福,罗玉峰,石志新,彭艳蓝. 中国机械工程. 2017(24)
[2]一平移三转动并联机构型综合及分类[J]. 谢冬福,罗玉峰,石志新,何新勇,刘杰. 机械设计与研究. 2016(06)
[3]3T1R并联机构结构设计与位置分析[J]. 石志新,叶梅燕,罗玉峰,杨廷力. 农业机械学报. 2016(08)
[4]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)
[5]机器人运动学分析实验教学方案研究[J]. 徐春梅. 实验科学与技术. 2014(02)
[6]下肢外骨骼机器人的现状与展望[J]. 周达岸,李建军. 中国康复理论与实践. 2013(12)
[7]外骨骼助力机器人结构设计及动力学仿真[J]. 高羽翯,张虎,宋遒志. 新技术新工艺. 2013(05)
[8]基于方位特征的六自由度并联机构型综合[J]. 邓嘉鸣,余同柱,沈惠平,李云峰,李菊,杨廷力. 中国机械工程. 2012(21)
[9]中国人口老龄化现状分析[J]. 黄毅,佟晓光. 中国老年学杂志. 2012(21)
[10]方位特征集法在三平移并联机构型综合中的应用[J]. 余同柱,沈惠平,邓嘉鸣,孟庆梅,朱伟,杨廷力. 机械设计. 2012(08)
硕士论文
[1]下肢外骨骼机器人的建模和控制策略研究[D]. 章心忆.南京理工大学 2017
[2]助力外骨骼下肢控制技术研究[D]. 潘忠强.浙江大学 2015
[3]外骨骼机器人设计[D]. 陈浩.上海交通大学 2013
[4]穿戴式下肢外骨骼机构分析与设计[D]. 尹军茂.北京工业大学 2010
[5]工业机器人运动学建模与仿真研究[D]. 夏发平.华中科技大学 2007
[6]基于肌电信号控制的康复医疗下肢外骨骼设计及研究[D]. 费烨赟.浙江大学 2006
[7]人体下肢外骨骼工作机理研究[D]. 赵彦峻.南京理工大学 2006
本文编号：2906883
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