随动式外骨骼康复机器人系统设计与集成
发布时间：2021-01-22 16:33
随着社会老龄化问题越来越突出、残障人士数量逐年增加,为满足助老助残需求,康复机器人应运而生。外骨骼康复机器人是一种高仿生高耦合的机电智能体,为了提高康复训练的移动性、安全性、交互性与有效性,本文从结构设计、步态规划、控制算法等几个方面开展研究,将理论分析和实验验证相结合,研制了一套随动式外骨骼康复机器人并规划步态,设计神经网络自适应控制器与基于Openpose的人机交互算法,使患者在无他人搀扶的情况下,手扶随动训练架独自完成康复训练。本文的主要研究成果概况如下:（1）设计了一套随动式外骨骼康复机器人系统,利用Solidworks软件建模并优化分析。系统包括随动训练架和外骨骼康复机器人。学习人体生理结构,确定机器人的自由度配置。设计随动训练架为患者时刻提供随动的辅助保护作用,保障稳定安全运行的同时,提供高效可靠的人机交互。（2）外骨骼运动学分析与步态规划。采用D-H坐标法建立外骨骼正运动学模型。分析人体步态,基于三次样条插值法,确定五个关键插值节点,在步态起步阶段和连续行走阶段分别对髋和踝关节在任务空间进行步态规划,利用运动学相关知识求解膝关节的运动轨迹与各关节在关节空间的轨迹,最后利用...
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：98 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１上外骼器人研现
?第１章绪?论???被当作穿戴者身体的一部分，并表现出类似人类的动态，能够增强穿戴者身体机??能的同时减少操作者的能量消耗，人机高效协作地完成合作任务。??（ａ＞可穿戴上肢外骨骼机器人?（ｂ）外肢体机器人ＳＲＬ??图１．２上肢外骨骼机器人国内研究现状??１．２．２下肢外骨骼机器人国内外研究现状??下肢康复机器人多采用外骨骼式，国外团队研宄比较成功的有以色列Ａｒｇｏ??ＭｅｄｉｃａｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓＬｔｄ．公司研制的Ｒｅｗａｌｋｌｌ３］，如图１．３（ａ）所不，其是全球首款??获得ＦＤＡ认证的下肢医疗康复机器人，该机器人包括了动力外骨骼和传感系统，??主要针对腰部以下瘫痪的患者，帮助他们重新获得站立、行走等日常生活能力。??整个装置自重２０．８ｋｇ，髋膝关节分别采用电机独立控制，踝关节利用弹簧产生被??动运动，臀部配置了可充电电池与便携式计算机控制系统。利用绑带使下肢外骨??骼机器人与穿戴者稳定固定，传感系统将获取的穿戴者运动信息发送至计算机控??制系统，经数据处理后利用自适应控制算法实时调整改进输出轨迹的步态参数，??以实现外骨骼机器人与穿戴者整体训练的协调性，完成步态康复训练。??日本公司Ｃｙｂｅｒｄｙｎｅ研发的Ｈｙｂｒｉｄ?Ａｓｓｉｓｔｉｖｅ?Ｌｅｇ?（ＨＡＬ）机器人丨１４】如图１．３（ｂ）??所示，该款机器人己于２０１３年获得全球安全认证进行批量生产，整机重２１ｋｇ，??分为电池、电机驱动单元、足底力测量单元、肌电传感传感器、加速度传感器与??中央处理器这６个部分，无需辅助支撑，续航可达Ｉ６０ｍｉｎ，开发基于生物信号??的自主控制系统，采集下肢腿部的肌电信号与关节力矩，解码人体运动意图用于??外
?第１章绪?论???设计，其中髋、膝关节均为主动的。该装置利用多传感信息融合与智能支撑拐杖??进行动作控制，根据穿戴者的需求选择工作模式，该机器人提供了三种工作模式，??分别为康复医师辅助训练模式、穿戴者自主定义模式与自感应肢体运动触发模式，??三种模式可根据患者的康复情况合理应用于康复训练中，帮助中风患者与脊髓损??伤患者科学开展康复训练＝??麵Ｉ??（ａ）?Ｒｅｗａｌｋ?（ｂ）?ＨＡＬ?（ｃ）?Ｅｋｓｏ?ＧＴ??图１．３国外部分下肢外骨骼机器人??在国内，目前下肢外骨骼机器人的研宂也是各个科研机构开展学术研宄的热??点问题，但相比国外的研究水平，我国在下肢外骨骼机器人领域的研宄较晚却发??展快，２１世纪初各个研究机构和高校陆续开始进行研究并取得了一定的研宄成??果，在机械结构、传感系统、信息处理、控制系统等共性技术方面己形成一套相??对完整成熟的研究体系，可独立自主地开展研究工作。??成都布法罗机器人科技冇限公研制的下肢外骨骼ＡＩＤＥＲｌＷ（如图１．４（ａ）所??示）可帮助下肢步行能力障碍人群开展辅助行走与步态训练，传感系统将电机角??度与拐杖信息传至主机，生产各个关节的运动轨迹参数，控制各个关节运动。可??提供起坐、站立、行走、上卜楼梯叫种运动多传感器融合实现良好的人机交互，??是集成电子、机械、精密制造的康：ＵＫ：疗器械。??深圳市迈步机器人科技有限公司研制的ＢＥＡＥ－Ｈ１机器人是一款可穿戴式下??肢外骨骼机器人１１９１?（如阁１．４（ｂ）所小＿），该款机器人针对脑卒中患者前期恢复阶??段开发了主动训练模式，髋、膝和踝义节处提供了主动助力辅助患者完成步态康??复训练：针对后期恢复阶段，即患者有一
【参考文献】：
期刊论文
[1]更加积极应对人口老龄化[J]. 清议. 中国人力资源社会保障. 2018(12)
[2]发展中的外骨骼机器人及其关键技术[J]. 石晓博,郭士杰,李军强,赵海文. 机床与液压. 2018(21)
[3]人口老龄化对我国产业结构升级的影响效应分析[J]. 王屿,梁平,刘肇军. 华东经济管理. 2018(10)
[4]下肢外骨骼康复机器人及其关键技术研究[J]. 李静,朱凌云,苟向锋. 医疗卫生装备. 2018(08)
[5]康复治疗技术专业人才需求及专业设置对策研究[J]. 任光圆,周菊芝,孙统达,祁义霞. 中国高等医学教育. 2016(08)
[6]科技部解读“十三五”国家科技创新规划[J]. 万成. 华东科技. 2016(08)
[7]跑步机上行走与平地行走膝关节运动差异性研究[J]. 赵凌燕,黄守刚,隋立明,李金. 哈尔滨工程大学学报. 2015(09)
[8]基于拉格朗日乘子法的Delta并联机器人简化刚体动力学建模方法[J]. 王刚,刘延杰,吴明月,韩海军. 机械与电子. 2015(07)
[9]外骨骼机器人的研究现状及发展趋势[J]. 邢凯,赵新华,陈炜,侍才洪,郭月,张西正. 医疗卫生装备. 2015(01)
[10]迭代学习控制系统的误差跟踪设计方法[J]. 孙明轩,严求真. 自动化学报. 2013(03)
博士论文
[1]下肢外骨骼的动力学分析与运动规划[D]. 贾山.东南大学 2016
[2]基于行走步态的被动式重力支撑柔性下肢外骨骼系统[D]. 王东海.浙江大学 2016
[3]新型下肢外骨骼的机构性能设计方法研究[D]. 缪云洁.上海交通大学 2015
硕士论文
[1]基于下肢外骨骼机器人的多传感器数据融合研究[D]. 王燕芳.华南理工大学 2017
[2]基于重心的双足步行机器人步态规划及稳定性控制设计与研究[D]. 郑丽娜.哈尔滨工程大学 2008
本文编号：2993554
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：98 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１上外骼器人研现
?第１章绪?论???被当作穿戴者身体的一部分，并表现出类似人类的动态，能够增强穿戴者身体机??能的同时减少操作者的能量消耗，人机高效协作地完成合作任务。??（ａ＞可穿戴上肢外骨骼机器人?（ｂ）外肢体机器人ＳＲＬ??图１．２上肢外骨骼机器人国内研究现状??１．２．２下肢外骨骼机器人国内外研究现状??下肢康复机器人多采用外骨骼式，国外团队研宄比较成功的有以色列Ａｒｇｏ??ＭｅｄｉｃａｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓＬｔｄ．公司研制的Ｒｅｗａｌｋｌｌ３］，如图１．３（ａ）所不，其是全球首款??获得ＦＤＡ认证的下肢医疗康复机器人，该机器人包括了动力外骨骼和传感系统，??主要针对腰部以下瘫痪的患者，帮助他们重新获得站立、行走等日常生活能力。??整个装置自重２０．８ｋｇ，髋膝关节分别采用电机独立控制，踝关节利用弹簧产生被??动运动，臀部配置了可充电电池与便携式计算机控制系统。利用绑带使下肢外骨??骼机器人与穿戴者稳定固定，传感系统将获取的穿戴者运动信息发送至计算机控??制系统，经数据处理后利用自适应控制算法实时调整改进输出轨迹的步态参数，??以实现外骨骼机器人与穿戴者整体训练的协调性，完成步态康复训练。??日本公司Ｃｙｂｅｒｄｙｎｅ研发的Ｈｙｂｒｉｄ?Ａｓｓｉｓｔｉｖｅ?Ｌｅｇ?（ＨＡＬ）机器人丨１４】如图１．３（ｂ）??所示，该款机器人己于２０１３年获得全球安全认证进行批量生产，整机重２１ｋｇ，??分为电池、电机驱动单元、足底力测量单元、肌电传感传感器、加速度传感器与??中央处理器这６个部分，无需辅助支撑，续航可达Ｉ６０ｍｉｎ，开发基于生物信号??的自主控制系统，采集下肢腿部的肌电信号与关节力矩，解码人体运动意图用于??外
?第１章绪?论???设计，其中髋、膝关节均为主动的。该装置利用多传感信息融合与智能支撑拐杖??进行动作控制，根据穿戴者的需求选择工作模式，该机器人提供了三种工作模式，??分别为康复医师辅助训练模式、穿戴者自主定义模式与自感应肢体运动触发模式，??三种模式可根据患者的康复情况合理应用于康复训练中，帮助中风患者与脊髓损??伤患者科学开展康复训练＝??麵Ｉ??（ａ）?Ｒｅｗａｌｋ?（ｂ）?ＨＡＬ?（ｃ）?Ｅｋｓｏ?ＧＴ??图１．３国外部分下肢外骨骼机器人??在国内，目前下肢外骨骼机器人的研宂也是各个科研机构开展学术研宄的热??点问题，但相比国外的研究水平，我国在下肢外骨骼机器人领域的研宄较晚却发??展快，２１世纪初各个研究机构和高校陆续开始进行研究并取得了一定的研宄成??果，在机械结构、传感系统、信息处理、控制系统等共性技术方面己形成一套相??对完整成熟的研究体系，可独立自主地开展研究工作。??成都布法罗机器人科技冇限公研制的下肢外骨骼ＡＩＤＥＲｌＷ（如图１．４（ａ）所??示）可帮助下肢步行能力障碍人群开展辅助行走与步态训练，传感系统将电机角??度与拐杖信息传至主机，生产各个关节的运动轨迹参数，控制各个关节运动。可??提供起坐、站立、行走、上卜楼梯叫种运动多传感器融合实现良好的人机交互，??是集成电子、机械、精密制造的康：ＵＫ：疗器械。??深圳市迈步机器人科技有限公司研制的ＢＥＡＥ－Ｈ１机器人是一款可穿戴式下??肢外骨骼机器人１１９１?（如阁１．４（ｂ）所小＿），该款机器人针对脑卒中患者前期恢复阶??段开发了主动训练模式，髋、膝和踝义节处提供了主动助力辅助患者完成步态康??复训练：针对后期恢复阶段，即患者有一
【参考文献】：
期刊论文
[1]更加积极应对人口老龄化[J]. 清议. 中国人力资源社会保障. 2018(12)
[2]发展中的外骨骼机器人及其关键技术[J]. 石晓博,郭士杰,李军强,赵海文. 机床与液压. 2018(21)
[3]人口老龄化对我国产业结构升级的影响效应分析[J]. 王屿,梁平,刘肇军. 华东经济管理. 2018(10)
[4]下肢外骨骼康复机器人及其关键技术研究[J]. 李静,朱凌云,苟向锋. 医疗卫生装备. 2018(08)
[5]康复治疗技术专业人才需求及专业设置对策研究[J]. 任光圆,周菊芝,孙统达,祁义霞. 中国高等医学教育. 2016(08)
[6]科技部解读“十三五”国家科技创新规划[J]. 万成. 华东科技. 2016(08)
[7]跑步机上行走与平地行走膝关节运动差异性研究[J]. 赵凌燕,黄守刚,隋立明,李金. 哈尔滨工程大学学报. 2015(09)
[8]基于拉格朗日乘子法的Delta并联机器人简化刚体动力学建模方法[J]. 王刚,刘延杰,吴明月,韩海军. 机械与电子. 2015(07)
[9]外骨骼机器人的研究现状及发展趋势[J]. 邢凯,赵新华,陈炜,侍才洪,郭月,张西正. 医疗卫生装备. 2015(01)
[10]迭代学习控制系统的误差跟踪设计方法[J]. 孙明轩,严求真. 自动化学报. 2013(03)
博士论文
[1]下肢外骨骼的动力学分析与运动规划[D]. 贾山.东南大学 2016
[2]基于行走步态的被动式重力支撑柔性下肢外骨骼系统[D]. 王东海.浙江大学 2016
[3]新型下肢外骨骼的机构性能设计方法研究[D]. 缪云洁.上海交通大学 2015
硕士论文
[1]基于下肢外骨骼机器人的多传感器数据融合研究[D]. 王燕芳.华南理工大学 2017
[2]基于重心的双足步行机器人步态规划及稳定性控制设计与研究[D]. 郑丽娜.哈尔滨工程大学 2008
本文编号：2993554
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