行走运动仿生机器人结构设计与优化
发布时间：2021-03-27 01:51
老年人以及脑血管患者数量逐年增加引发了许多社会性问题,同时也吸引了众多康复医疗领域科研人员的目光。通过开发康复机器人辅助患者完成康复训练代替了传统治疗师辅助病患的单一重复训练,不仅减少了康复治疗师劳动强度,并大大增加了患者的康复的效率。通过调研可以发现,目前世界上的许多国家已经研发出了众多医疗康复机器人,其特点各异但大多数的体型较大造价昂贵,不适用于家庭化的使用。因此本文设计了一种新型的行走运动仿生机器人,主要内容如下:首先为了便于步态行走过程中的髋、足运动轨迹的分析,建立人体7肢段模型,借助该模型推导出双侧髋、膝、踝关节点位置矢量坐标计算公式。并进一步通过实验的方法,获取了下肢行走过程中的运动学数据,配合中国人体尺寸标准通过放缩法获得了标准尺寸下人体足底及髋关节点的在标准步态下的运动数据,为接下来的足底动力学分析及辅助机械结构设计提供了可靠的数据支持。在确定了结构足底踏板辅助配合胯下鞍座支持的辅助训练方式后,分析完全被动训练状态下进行了人体动力学特征,并对人体7肢段模型进行简化计算出完全被动训练方式下一步态周期内的足底压力,为结构设计时的选型和安全性评估提供可靠数据。接着根据之前确定...
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：66 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
GaitTrainer，HapticWalker和LokoHelp上述两类下肢步态康复训练的机器人，外骨骼类型的机器需要与跑步机结合使用
第1章绪论5图1.2AutoAmbulator步行康复训练机器人美国的前身为BerkeleyBionics的EKSO公司是主要研发机器外骨骼从而提高人体运动能力，和美国军方有十多年的合作，从2012年开始，致力于开发如何帮助下肢瘫痪的病人。最开始，EksoBionics就与世界级研究院（如伯克利大学等）形成了伙伴关系，并从国防部获得了相应的科研经费同时获得美国洛克希德马丁公司的专利技术。EKSO公司在2014年上市（OTC），并在2012年就拿到FDA医院的使用许可权，在2016年获得了FDAforperson的认证。在产品线上，ESKO因为拥有美国国防部的背景，所以在军事、民用、救援、医疗等多个领域进行了全方位的尝试。这是一家集合了军事、民用、救援、医疗等多领域的研发公司。ESKO现如今已经开发了两款用于医疗外机械骨骼，并于2012年上市[39]，其中的许多关键的部位采用了大量的铝合金、钛合金、碳纤维等金属及非金属符合材料，其搭载的系统还包括了高精度的感应器、微型驱动马达、拟人关节，还有速度极快的中央处理器以及强大的软件系统。还提供了3种模式可供用户根据自身的情况和康复进度来进行相应的选择，主要包括了FirstStep（康复治疗师辅助进行模式）、ActiveStep（使用者自主控制模式）和ProStep（自动感应使用者的身体动作触发每一步运动模式）。另外，它还可以统计出相关数据并上传，方便辅助医疗人员进行分析。MolteniF等[40]通过23名脑卒中患者穿戴ESKOTM在地面上进行12次步态训练，证实了ESKOTM外骨骼对于改善亚急性和慢性中
吉林大学硕士学位论文6风患者具有明显的改善作用。图1.3EKSO外骨骼机器人产品在2009年，日本的筑波大学研发了一款用于帮助无法独自站立行走的截瘫患者并完成起立行走等动作的可穿戴式机器人“HAL-5”[41]。在患者站起时，机器人系统可承担使用者的体重，同时，该系统还配备了患者站起时用于维持其相应姿势稳定性的能力。另外，该系统具有从上身肢体姿态判断患者的起立意图的功能，在这种情况下，使用者只需要完成一个起立的预备姿势，机器人系统就可以自动的帮助患者完成整个站起动作，如图1.4所示。针对“HAL-5”可穿戴式机器人系统，开发人员同时还研发了一种基于有限元分析计算的工作姿态控制[42]，既可穿戴外骨骼机器人自行引导支撑患者达到合适的位置姿势。通过这种控制策略，外骨骼通过比例肌电控制的方法完成了对下肢两对髋关节与膝关节夹角的控制进而减轻了使用者腰部所承受的压力。图1.4筑波大学HAL-5机器人系统
本文编号：3102645
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：66 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
GaitTrainer，HapticWalker和LokoHelp上述两类下肢步态康复训练的机器人，外骨骼类型的机器需要与跑步机结合使用
第1章绪论5图1.2AutoAmbulator步行康复训练机器人美国的前身为BerkeleyBionics的EKSO公司是主要研发机器外骨骼从而提高人体运动能力，和美国军方有十多年的合作，从2012年开始，致力于开发如何帮助下肢瘫痪的病人。最开始，EksoBionics就与世界级研究院（如伯克利大学等）形成了伙伴关系，并从国防部获得了相应的科研经费同时获得美国洛克希德马丁公司的专利技术。EKSO公司在2014年上市（OTC），并在2012年就拿到FDA医院的使用许可权，在2016年获得了FDAforperson的认证。在产品线上，ESKO因为拥有美国国防部的背景，所以在军事、民用、救援、医疗等多个领域进行了全方位的尝试。这是一家集合了军事、民用、救援、医疗等多领域的研发公司。ESKO现如今已经开发了两款用于医疗外机械骨骼，并于2012年上市[39]，其中的许多关键的部位采用了大量的铝合金、钛合金、碳纤维等金属及非金属符合材料，其搭载的系统还包括了高精度的感应器、微型驱动马达、拟人关节，还有速度极快的中央处理器以及强大的软件系统。还提供了3种模式可供用户根据自身的情况和康复进度来进行相应的选择，主要包括了FirstStep（康复治疗师辅助进行模式）、ActiveStep（使用者自主控制模式）和ProStep（自动感应使用者的身体动作触发每一步运动模式）。另外，它还可以统计出相关数据并上传，方便辅助医疗人员进行分析。MolteniF等[40]通过23名脑卒中患者穿戴ESKOTM在地面上进行12次步态训练，证实了ESKOTM外骨骼对于改善亚急性和慢性中
吉林大学硕士学位论文6风患者具有明显的改善作用。图1.3EKSO外骨骼机器人产品在2009年，日本的筑波大学研发了一款用于帮助无法独自站立行走的截瘫患者并完成起立行走等动作的可穿戴式机器人“HAL-5”[41]。在患者站起时，机器人系统可承担使用者的体重，同时，该系统还配备了患者站起时用于维持其相应姿势稳定性的能力。另外，该系统具有从上身肢体姿态判断患者的起立意图的功能，在这种情况下，使用者只需要完成一个起立的预备姿势，机器人系统就可以自动的帮助患者完成整个站起动作，如图1.4所示。针对“HAL-5”可穿戴式机器人系统，开发人员同时还研发了一种基于有限元分析计算的工作姿态控制[42]，既可穿戴外骨骼机器人自行引导支撑患者达到合适的位置姿势。通过这种控制策略，外骨骼通过比例肌电控制的方法完成了对下肢两对髋关节与膝关节夹角的控制进而减轻了使用者腰部所承受的压力。图1.4筑波大学HAL-5机器人系统
本文编号：3102645
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