面向截瘫患者移动辅助机器人助行机理研究及系统设计
发布时间：2021-01-16 12:26
下肢康复机器人在帮助截瘫患者康复训练过程中起到重要作用,极大缓解了传统人工辅助康复训练中理疗师任务繁重效率低的问题。本文在详细调查研究下肢康复训练机器人的基础上,综合各种机器人特点,提出融合坐、立、行三态辅助机器人的设计思路,研究并完成了该截瘫助行机器人的系统设计,同时研究了用于助行机器人控制策略的基于足底压力步态相位识别等内容。论文取得的研究成果如下:1.在分析国内外各种下肢康复机器人特点的基础上,进行人体运动特性研究。根据人体行走过程,划分了步态周期,为后面步态相位识别奠定基础;通过分析人体站立过程来分析人体运动空间,从而进行机器人结构设计;结合人机工程学,依据要设计的截瘫助行机器人要满足的功能要求进行主要尺寸参数的计算。2.面向截瘫患者站立行走的需求,提出融合坐、立、行三态辅助机器人的设计的思路,依据前述人机工程学参数完成辅助行走功能三自由度外骨骼结构设计和运动学分析,设计移动升降装置完成人体的站立功能,包括竖直方向外骨骼欠驱动的结构设计。为了满足在人体坐立过程中坐板的收放功能,在深入研究四杆机构的研究上,基于优化综合解法完成了坐、立姿态转换六杆机构设计,该设计为双曲柄滑块机构,...
【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】：76 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
浙江大学外骨骼康复机器人Figure1-9ZhejiangUniversity’sexoskeleton
第一章绪论6节则通过跑步机的协调运动实现被动驱动。并且可以根据患者的主被动方式调节不同的控制方式实现三种训练模式，同时可以根据贴合在人体表面的肌电信号对康复水平进行评估，方便医生和患者及时评估其恢复情况。图1-9浙江大学外骨骼康复机器人图1-10清华大学助行外骨骼机器人Figure1-9ZhejiangUniversity’sexoskeletonFigure1-10QinghauUniversity’sexoskeleton清华大学的张济川课题组也研制了一套助行外骨骼机器人[30]，已经研制一台可以应用于临床的试验用的机器人。如图1-10所示。该外骨骼每条机械腿只用一个微电机来驱动，通过微电机带动连杆机构从而实现髋膝关节的联动。同侧的髋膝关节共用一个曲柄，这样可以实现双关节联动的效果。该助行外骨骼机器人可以作为下肢运动功能障碍者的康复设备，可以在步行机构驱动下独立行走。如图1-11所示为哈尔滨工程大学研制的下肢康复机器人，该机器人是采用的足底驱动的方式，采用曲柄连杆机构实现足底的运动，用直流伺服电机驱动曲柄从而带动患者足部运动，通过模拟正常人步行时踝关节的姿态变化产生与正常人步态相近的运动轨迹，来实现辅助患者下肢运动的功能，从而达到康复效果。脚踏板中心位于连杆上且角度可调，可以调整步速和步幅，也可以远程控制。上海大学研制的一款康复机器人系统如图1-12所示，根据Lokomat下肢康复机器人的设计理念进行设计，同样采用外骨骼加跑步机的形式，两者组合在一起完成辅助行走训练功能。根据机器人上传感器的信息反馈，通过计算力矩，采用径向基函数的神经网络补偿控制的方法实现了机器的主动控制模式，也可以反映下肢运动状态，能够实时掌握患肢的康复情况[32]。
第一章绪论7图1-11哈尔滨工程大学下肢康复机器人图1-12上海大学外骨骼机器人Figure1-11HarbinEngineeringUniversity’srobotFigure1-12ShanghaiUniversity’srobot基于足底压力步态相位识别研究对于下肢康复机器人系统，主要包括机械结构和控制算法两部分，机械结构前面对国内外研究现状已经做了详细的介绍，而在下肢康复机器人控制策略设计中，用户的意图的识别至关重要，具体就是识别人体的行走意图，也即为识别行走的步态阶段。对于步态意图识别，步态相位划分是分析行走的一般方法。行走是一个步幅的周期性行为，从一条腿的脚后跟接触地面到同一条腿的下一次脚跟撞击地面。步态相分类信息有很多应用。根据信息的使用方式和位置，有两个主要应用领域。首先，如上所述，步态阶段信息可用于评估和确定人的行走模式。传统上，这样的信息被用作评定其它时空参数的定量数据（例如，跨距宽度，行走速度，节奏和步行对称程度），可以作为康复诊断和评价行走步态。其次，步态相位分类结果用于几种助行装置，下肢外骨骼机器人和智能假体[33]等，用来帮助下肢运动功能障碍的人。步态相位信息对步行辅助设备尤为重要。FES装置利用这些信息使脊髓损伤患者通过下肢肌肉的直接电子刺激行走。下肢外骨骼机器人用于帮助行走障碍的人并提高健康受试者的表现。当机器人与用户一起行走时，控制模型根据关于一只脚或两只脚是否与地面接触的信息而改变。因此，步态相位信息是必要的控制输入。同样，在智能下肢假肢中，必须改变人工膝关节的阻尼系数以模拟人体的阻尼系数，以减少能量消耗并使下肢截肢者能够稳定地行走。步态信息是这种情况下的重要组成部分。要在上述情况下使用，步态相位信息必须正确分类。步态相位分类的问题可
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于多信息融合的下肢外骨骼机器人感知系统研究[J]. 黄梓亮,方晨昊,欧阳小平,杨金江,杨华勇. 工程设计学报. 2018(02)
[2]人口老龄化与经济发展水平:国际比较及其启示[J]. 景韶东. 现代商业. 2018(04)
[3]GA-BP神经网络在下肢运动步态识别中的应用研究[J]. 马玉良,马云鹏,张启忠,罗志增,杨家强. 传感技术学报. 2013(09)
[4]下肢康复训练机器人研究进展[J]. 张娇娇,胡秀枋,徐秀林. 中国康复理论与实践. 2012(08)
[5]下肢步态康复机器人:研究进展及临床应用[J]. 丁敏,李建民,吴庆文,沈海涛. 中国组织工程研究与临床康复. 2010(35)
[6]减重步行康复训练机器人研究进展[J]. 程方,王人成,贾晓红,张济川. 中国康复医学杂志. 2008(04)
[7]正常青年人行走步态的实验研究[J]. 刘德俊,郦鸣阳,沈力行. 上海理工大学学报. 2008(01)
[8]一种新型三自由度下肢康复训练机器人步态机构运动分析及仿真[J]. 张晓超,张立勋,颜庆. 自动化技术与应用. 2005(03)
[9]脑卒中康复研究新进展[J]. 周维金,王玉琴,崔利华. 中国康复医学杂志. 2002(02)
博士论文
[1]步行康复训练助行腿机器人系统[D]. 冯治国.上海大学 2009
[2]基于柔性外骨骼人机智能系统基础理论及应用技术研究[D]. 张佳帆.浙江大学 2009
硕士论文
[1]基于人体生理参数的下肢康复机器人设计与仿真分析[D]. 李力力.天津大学 2018
[2]下肢外骨骼行走康复机器人研究[D]. 饶玲军.上海交通大学 2012
[3]老年人辅助站立座椅设计研究[D]. 王建光.浙江大学 2008
本文编号：2980827
【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】：76 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
浙江大学外骨骼康复机器人Figure1-9ZhejiangUniversity’sexoskeleton
第一章绪论6节则通过跑步机的协调运动实现被动驱动。并且可以根据患者的主被动方式调节不同的控制方式实现三种训练模式，同时可以根据贴合在人体表面的肌电信号对康复水平进行评估，方便医生和患者及时评估其恢复情况。图1-9浙江大学外骨骼康复机器人图1-10清华大学助行外骨骼机器人Figure1-9ZhejiangUniversity’sexoskeletonFigure1-10QinghauUniversity’sexoskeleton清华大学的张济川课题组也研制了一套助行外骨骼机器人[30]，已经研制一台可以应用于临床的试验用的机器人。如图1-10所示。该外骨骼每条机械腿只用一个微电机来驱动，通过微电机带动连杆机构从而实现髋膝关节的联动。同侧的髋膝关节共用一个曲柄，这样可以实现双关节联动的效果。该助行外骨骼机器人可以作为下肢运动功能障碍者的康复设备，可以在步行机构驱动下独立行走。如图1-11所示为哈尔滨工程大学研制的下肢康复机器人，该机器人是采用的足底驱动的方式，采用曲柄连杆机构实现足底的运动，用直流伺服电机驱动曲柄从而带动患者足部运动，通过模拟正常人步行时踝关节的姿态变化产生与正常人步态相近的运动轨迹，来实现辅助患者下肢运动的功能，从而达到康复效果。脚踏板中心位于连杆上且角度可调，可以调整步速和步幅，也可以远程控制。上海大学研制的一款康复机器人系统如图1-12所示，根据Lokomat下肢康复机器人的设计理念进行设计，同样采用外骨骼加跑步机的形式，两者组合在一起完成辅助行走训练功能。根据机器人上传感器的信息反馈，通过计算力矩，采用径向基函数的神经网络补偿控制的方法实现了机器的主动控制模式，也可以反映下肢运动状态，能够实时掌握患肢的康复情况[32]。
第一章绪论7图1-11哈尔滨工程大学下肢康复机器人图1-12上海大学外骨骼机器人Figure1-11HarbinEngineeringUniversity’srobotFigure1-12ShanghaiUniversity’srobot基于足底压力步态相位识别研究对于下肢康复机器人系统，主要包括机械结构和控制算法两部分，机械结构前面对国内外研究现状已经做了详细的介绍，而在下肢康复机器人控制策略设计中，用户的意图的识别至关重要，具体就是识别人体的行走意图，也即为识别行走的步态阶段。对于步态意图识别，步态相位划分是分析行走的一般方法。行走是一个步幅的周期性行为，从一条腿的脚后跟接触地面到同一条腿的下一次脚跟撞击地面。步态相分类信息有很多应用。根据信息的使用方式和位置，有两个主要应用领域。首先，如上所述，步态阶段信息可用于评估和确定人的行走模式。传统上，这样的信息被用作评定其它时空参数的定量数据（例如，跨距宽度，行走速度，节奏和步行对称程度），可以作为康复诊断和评价行走步态。其次，步态相位分类结果用于几种助行装置，下肢外骨骼机器人和智能假体[33]等，用来帮助下肢运动功能障碍的人。步态相位信息对步行辅助设备尤为重要。FES装置利用这些信息使脊髓损伤患者通过下肢肌肉的直接电子刺激行走。下肢外骨骼机器人用于帮助行走障碍的人并提高健康受试者的表现。当机器人与用户一起行走时，控制模型根据关于一只脚或两只脚是否与地面接触的信息而改变。因此，步态相位信息是必要的控制输入。同样，在智能下肢假肢中，必须改变人工膝关节的阻尼系数以模拟人体的阻尼系数，以减少能量消耗并使下肢截肢者能够稳定地行走。步态信息是这种情况下的重要组成部分。要在上述情况下使用，步态相位信息必须正确分类。步态相位分类的问题可
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于多信息融合的下肢外骨骼机器人感知系统研究[J]. 黄梓亮,方晨昊,欧阳小平,杨金江,杨华勇. 工程设计学报. 2018(02)
[2]人口老龄化与经济发展水平:国际比较及其启示[J]. 景韶东. 现代商业. 2018(04)
[3]GA-BP神经网络在下肢运动步态识别中的应用研究[J]. 马玉良,马云鹏,张启忠,罗志增,杨家强. 传感技术学报. 2013(09)
[4]下肢康复训练机器人研究进展[J]. 张娇娇,胡秀枋,徐秀林. 中国康复理论与实践. 2012(08)
[5]下肢步态康复机器人:研究进展及临床应用[J]. 丁敏,李建民,吴庆文,沈海涛. 中国组织工程研究与临床康复. 2010(35)
[6]减重步行康复训练机器人研究进展[J]. 程方,王人成,贾晓红,张济川. 中国康复医学杂志. 2008(04)
[7]正常青年人行走步态的实验研究[J]. 刘德俊,郦鸣阳,沈力行. 上海理工大学学报. 2008(01)
[8]一种新型三自由度下肢康复训练机器人步态机构运动分析及仿真[J]. 张晓超,张立勋,颜庆. 自动化技术与应用. 2005(03)
[9]脑卒中康复研究新进展[J]. 周维金,王玉琴,崔利华. 中国康复医学杂志. 2002(02)
博士论文
[1]步行康复训练助行腿机器人系统[D]. 冯治国.上海大学 2009
[2]基于柔性外骨骼人机智能系统基础理论及应用技术研究[D]. 张佳帆.浙江大学 2009
硕士论文
[1]基于人体生理参数的下肢康复机器人设计与仿真分析[D]. 李力力.天津大学 2018
[2]下肢外骨骼行走康复机器人研究[D]. 饶玲军.上海交通大学 2012
[3]老年人辅助站立座椅设计研究[D]. 王建光.浙江大学 2008
本文编号：2980827
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