可穿戴式绳驱动踝关节康复机器人设计研究

发布时间：2020-10-29 18:02

　　 随着我国社会老龄化程度的加剧,由老年疾病或运动损伤所带来的下肢运动障碍患者大量增加,我国的康复医疗资源供应面临巨大的挑战。利用康复机器人帮助患者进行康复训练治疗,可以有效缓解目前康复医疗资源短缺的现状。本文旨在研发一款穿戴式踝关节康复机器人,具备帮助患者进行早期的被动康复训练与后期的行走步态康复训练治疗的功能。本文主要的研究内容如下:首先,针对目前可穿戴踝关节结构设计中存在的结构复杂、穿戴式舒适性与安全性能差等问题,本文提出了基于单套索驱动系统的结构设计方案。利用套索远距离驱动的原理将驱动端与穿戴端分离,简化了穿戴端的结构复杂性,同时减轻了穿戴端的重量,提高了穿戴舒适性。此外,基于绳索驱动与棘轮棘爪原理设计了关节双向锁死机构,能够在任意角度锁死踝关节,保证患者在康复训练中的安全性。其次,针对目前康复机器人传感系统步态检测准确性不高的问题,提出了基于多传感器信息融合的机器人传感系统,分别检测脚掌、踝关节与小腿的运动与姿态数据。然后,基于传感器的人体步态特征数据,提出了基于多条件约束的零速区间检测与步态特征动作识别的步态检测算法,实现了较高准确率的人体步态检测。再次,基于康复机器人整体结构与踝关节的康复训练需求设计了机器人的控制系统。基于单套索驱动系统单向拉伸的特点,采用库伦摩擦模型简化计算过程对其进行了驱动力分析。在以速度控制为内环的基础上,提出了驱动电机的位置与力矩策略,并在此基础上结合传感系统采集的步态特征数据提出了被动康复训练以及行走步态康复训练控制策略。最后,设计了碳纤维预浸布热压成型的工艺流程,使用碳纤维预浸布制作了小腿弧形护板,再与其他部件组装后制作了实验原理样机。结合传感系统与高速摄像系统进行人体步态特征动作的传感器数据标定实验。然后通过步态识别实验,验证了步态识别算法的准确性。本文最后进行了模拟被动康复训练实验与行走步态康复实验,验证了机器人整体系统的有效性。
【学位单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2020
【中图分类】：TP242
【部分图文】：

第二章踝关节康复机理研究及整体结构设计21显得尤为重要。本文关节锁死机构与传统的机械限位结构不同，传统的机械限位结构只能限定两个极限位置，而关节锁死机构可以在任意角度锁死踝关节起到保护作用。驱动电机联轴器滚珠丝杠及丝杠螺母牵引绳索棘爪连杆Ⅰ棘爪连杆Ⅱ复位弹簧棘爪棘轮图2-9踝关节锁死机构示意图及3D建模由于踝关节是人体中主要的承重关节，在正常生活与行走中踝关节承受了较大的扭矩，所以在锁死关节时锁死机构也会承受较大扭矩。本文结合棘轮棘爪能够承受较大扭矩的特性与绳索驱动能够减小机械构件与驱动器之间的刚性冲击的特点，设计了踝关节双向锁死机构。其机构如图2-9所示，驱动电机通过联轴器与滚珠丝杠相连，电机旋转带动丝杠螺母进行直线运动，棘爪连杆通过绳索与丝杠螺母相连，绳索牵引棘爪连杆Ⅰ向上运动，使棘爪连杆Ⅱ之间的角度减小，棘爪连杆Ⅱ压缩回弹弹簧使棘爪与棘轮啮合，此时关节被锁死。当需要释放关节时，驱动电机反向旋转，丝杠螺母向下运动，此时牵引绳索处于放松状态，回弹弹簧释放能量使棘爪与棘轮分离，关节就得以释放，恢复活动。2.2.4.1踝关节锁死机构受力分析踝关节的双向锁死机构是踝关节康复机器人中非常重要的一部分，它关系到整体机器人系统安全性能。所以对其进行受力分析与强度校核是非常必要的。因为

电子科技大学硕士学位论文22棘轮棘爪的自锁性，本文设计的关节锁死机构可以由小力矩驱动而实现较大锁死力矩，大大减小了驱动器的体积以及驱动功率，正是因为这样的特性，可以把锁死机构嵌入到穿戴式设备中，使其结构更加的紧凑。锁死机构只有在锁死关节的时候会承受较大力矩，在释放状态下只承受回弹弹簧较小的回弹力，所以只用分析在锁死机构锁死状态下受力情况，没有必要对其进行动力学分析。踝关节锁死机构受力如图2-10所示。图2-10踝关节锁死机构受力分析PF为电机驱动绳索的牵引力，下面将分析各个杆件与支撑点的受力情况。对于所有铰链与杆件都有：00iiFM(2-1)对于铰链a有1324FF，且满足公式（2-1）。根据式（2-1）可以得到132412yyPFFF，且1324xxFF，由受力分析可知132413240-=0xxyyPFFFFF(2-2)13241324/cos/cos1/2cosyyPFFFFF(2-3)对于1R有1331FF0，同理对于2R有2442FF0，可以得到

电子科技大学硕士学位论文24表2-1电机具体参数电机型号Maxon344515Re10额定电压6-15V空载转速1000r/min额定转矩（最大连续转矩）1.5mNm额定电流（最大连续负载电流）0.713A堵转转矩3.2mNm最大效率76%在进行强度校核时，锁死电机失控达到最大功率并发生堵转的情况时电机的输出扭矩达到最大，棘爪连杆Ⅰ所承受的力也达到最大。本文利用SolidWorks2018中自带Simulation插件对杆件进行静力学仿真，验证锁死机构中的杆件强度是否达到强度要求。本文中选用滚珠丝杠为日本NTN公司生产的0501丝杠，直径为5mm，导程为1mm。已知电机扭矩与滚珠丝杠拉力转换计算的公式为:1()/(2)aaTFI(2-7)式中aT为驱动扭矩，aF为轴向负载，aFFmg，F为丝杠轴向切削力，为导向件的综合摩擦系数，m为移动物体重量（工件+工作台），g为重力系数，I为丝杠导程，1为进给丝杠正效率。图2-11棘爪连杆Ⅰ受力情况分析本文中取10.75，0.8，根据式(2-7)可以得到当电机发生堵转时296aFN。在本次受力分析中只是考虑杆件有可能受到的最大拉力，忽略了驱动绳索的拉伸量，当电机驱动滚珠丝杠拉动绳索到极限位置电机发生堵转时1/2PaFF，杆件1R的受力情况如图2-11所示。通过式(2-3)计算可以得到3124FF134N。在本文中关节锁死机构的材料为质量轻且强度高的7075铝合金，可以在提高机构的强度的前提下减小穿戴式踝关节机器人的整体重量。7075铝合金的主要性能参数如表2-2所示。
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本文编号：2861258