基于人体感知信息的踝足助行外骨骼的设计与控制研究

发布时间：2021-06-19 17:16

　　步行是一项贯穿人类日常生活的基本运动形式。尽管各式交通工具发展迅猛,但其依然无法超越步行在短距离、室内以及非结构性复杂场景下移动的优势。尽管步行运动易于掌握且高效,但是长时间的远距离步行、相关肌骨系统衰退等原因会加重步行中的肌肉负荷,导致步行难度增加。传统康复领域只针对发生病变的身体部位,在严格限定的环境和方法下进行康复训练,并不能达到日常生活中的助行目标。为此,本文创新性地设计了一套轻便、高效、人机友好的踩足助行外骨骼系统,以实现对于有一定行走能力的人提供步行跖屈力辅助,从而提高步行效率的目的。系统设计分为结构、硬件和软件三个部分。结构设计参考平面四杆模型,建立了驱动器转角与踝关节角度之间的运动学方程,并针对结构设计中的关键尺寸参数进行了优化设计。硬件部分搭建了包括主控制器Arduino、五通道实时人体感知模块以及驱动执行装置在内的完整硬件体系。软件部分实现了四路足底压力传感器信号和一路角度传感器信号的实时传输与读取,并基于人体感知信息实现了对电机的驱动控制,实现步态支撑末期的跖屈力辅助。依据设计思路进行了右侧样机制作,并设计了基于腓肠肌表面肌电信号的验证实验,以对装置的性能进行评估... 

【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：105 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

图１．１?Ｏｂｅｒ后页式被动踩足外骨骼［７］??

图１．２?ＤＡＣＳ?ＡＦＯ踝足矫形外骨骼［８］??曰本的国际医疗福利大学的研究人员开发了一款背屈辅助踝足矫形外骨骼??ＤＡＣＳＡＦ？，用来防止偏瘫患者的足下垂症状［８］，如图１．２。这款踝足矫形外骨骼??重约３００ｇ，由两片热塑性塑料片连接而成，连接铰链设置在踝关节的侧面和后面。??在外骨骼腔体内侧小腿后方，嵌入了一个弹簧，可以提供背屈方向的助力，峰值??力矩可以达到１７Ｎ＿ｍ（每旋转１０°）。当足跟着地时，弹簧抵抗压缩以限制不必要??的跖屈运动，从而防止“足拍地”步态。支撑期，外骨骼的结构起到了稳定踩关??节的作用；而在摆动期，由于弹簧阻尼的作用，踩关节减少了跖屈运动，从而防??止了足下垂，更轻松地实现了足尖清地。??３??

预先将能量储存起来，然后在需要驱动力的时候，采用适当的驱动结构??再将储存的能量释放出来。美囯伊利诺伊大学厄巴纳－香槟分校的研究者就研制??了一款储能型的踩足外骨骼［９］，见图１．３。这款外骨骼的设计目标是：使支撑期的??踝关节能够自由转动，而在摆动期辅助完成足尖清地。支撑期，内置于鞋底的气??泵随着体重施加压力而压缩气体，这些气体在摆动期触发一个锁定装置，这个装??置可以防止足下垂步态。而在下一个足跟着地时刻，后跟处的阀门打开，释放出??气体，踝关节的锁定装置被解锁，在支撑期实现自由转动。???１?Ｆｉｗｏｄｅ?￣ｉ???ＩＣｃｍＢｉｔｏＭＢｄｒ］???心版?＿?ｅ，ｒａＭ?ｊ???ｄｅｍｃｎｌ??????＿?＿?—?＿?＿?—?ｒｏｔａｔｉｏｎ?ａｘｉｓ?ｘ？ｉｒ?ｂｕｆｆａｊ??———?—?—?——??ｒ＾ｎ?ｉ＾１１??＾?＾?＾?［?Ｌｅｉ?ｓｓ??（Ｈｅａｌ?Ｃｏｎｔａｃｔ）?（Ｆｏｏｔ?Ｆｌａｔ）?（Ｈｅｅｌ?Ｏｆｉ）?（Ｔｏｅ?Ｏｆｆ）?ｆ?；＃??图１．４曰本大阪大学研制的无源气动踝足外骨骼［ｉｅ］??４??

【参考文献】：
期刊论文
[1]面向下肢助力外骨骼的脚底测力系统研究[J]. 郝大彬,韩亚丽,朱松青,杨虞融,徐强.  机械科学与技术. 2017(06)
[2]正常步态和偏瘫步态的特点及对比[J]. 杨雅琴,张通.  中国康复理论与实践. 2003(10)
[3]长期立位、行走和坐位对女工的职业危害[J]. 蒋学之,夏蕊娟,张幼辰,邵民,王秀贞,章慧如,陈彩云,王簃兰,蔡国华,马爕荣,杨润生,骆知俭,毛晓全.  职业医学. 1990(02)



本文编号：3238221