基于并联机构可穿戴式腰椎外骨骼的系统设计与智能控制方法研究
发布时间：2021-05-31 21:49
当代社会,越来越多的人有下腰痛的困扰。下腰痛（low back pain,LBP）是指后背的腰、骶部的疼痛或不适感,有时会伴有下肢放射痛,它严重影响了患者的生活和工作能力,且缺乏有效的诊断与治疗手段。而腰椎外骨骼机器人作为一种模仿生物外骨骼而开发的可穿戴机电一体化装置,能够为穿戴者提供腰部支撑、腰部机能增强等帮助,成为理论与工程界的研究热点。因此,针对腰部活动严重受限的下腰痛患者,本文设计并提出了一款基于并联机构的新型腰椎外骨骼,主要工作如下:（1）针对现有腰椎外骨骼辅助自由度的单一性及助力过程中对肩部大腿造成的负担,在研究人体腰部运动机理的基础上,完成了一种新型腰椎外骨骼的机械结构设计。首先全面分析了腰椎机构以及腰部肌群,剖析了腰部结构及其运动特征,定义了一种腰部康复运动轨迹。接着,基于腰椎运动的耦合特性,采用4-SPS/S三自由度球面并联机构设计了一种新型腰椎外骨骼,定义了尺寸参数,并利用螺旋理论分析了该并联机构的自由度。最后,完成腰椎外骨骼的结构设计,并在Solidworks中绘制出其机械本体。（2）针对腰椎外骨骼的三自由度并联机构,分别运用欧拉坐标变换和牛顿迭代法实现了其运动学...
【文章来源】：南京理工大学江苏省 211工程院校
【文章页数】：99 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
SatoshiKawai腰椎外骨骼结构图
1绪论硕士学位论文4（a）实物图（b）简化图图1.1SatoshiKawai腰椎外骨骼结构图2005年，RosalesI等人[13]研发了如图1.2所示的腰椎外骨骼，该装置是一种辅助人体腰椎弯腰运动的外骨骼。它的主要任务是减轻穿戴者在弯腰或者举重时腰椎的负担。机构中使用一对气动人工肌肉作为执行器，位于穿戴者背部两侧从而可以在人体弯腰过程中产生相应的力矩来减轻人体腰部负担。机构中还利用了一些压力传感器、增量编码器来获取机构的位置以及机构对人体的力等信息，以便对腰椎外骨骼进行相应的控制。图1.2RosalesI的腰椎外骨骼结构2006年，SATOY.等人[14]开发了一种针对腰部与膝关节进行助力的可穿戴外骨骼装置，他们的装置用一个额定电压为24V的直流电机驱动，该机构结构如图1.3所示。通过仿真验证，该助力装置可以有效支撑腰部关节，并且在腰部前屈后伸过程中能够有效减少约14%的身体躯干的肌肉疲劳以及40%的腰部的肌肉疲劳。但是由于24V的直流电源难以随身携带，故其助力装置在使用与推广也存在一定的难度。图1.3SATOY腰膝外骨骼
1绪论硕士学位论文4（a）实物图（b）简化图图1.1SatoshiKawai腰椎外骨骼结构图2005年，RosalesI等人[13]研发了如图1.2所示的腰椎外骨骼，该装置是一种辅助人体腰椎弯腰运动的外骨骼。它的主要任务是减轻穿戴者在弯腰或者举重时腰椎的负担。机构中使用一对气动人工肌肉作为执行器，位于穿戴者背部两侧从而可以在人体弯腰过程中产生相应的力矩来减轻人体腰部负担。机构中还利用了一些压力传感器、增量编码器来获取机构的位置以及机构对人体的力等信息，以便对腰椎外骨骼进行相应的控制。图1.2RosalesI的腰椎外骨骼结构2006年，SATOY.等人[14]开发了一种针对腰部与膝关节进行助力的可穿戴外骨骼装置，他们的装置用一个额定电压为24V的直流电机驱动，该机构结构如图1.3所示。通过仿真验证，该助力装置可以有效支撑腰部关节，并且在腰部前屈后伸过程中能够有效减少约14%的身体躯干的肌肉疲劳以及40%的腰部的肌肉疲劳。但是由于24V的直流电源难以随身携带，故其助力装置在使用与推广也存在一定的难度。图1.3SATOY腰膝外骨骼
【参考文献】：
期刊论文
[1]新型四自由度并联机构运动学分析及其优化设计[J]. 王学雷,赵栋杰,张宾,李伟. 东北大学学报(自然科学版). 2018(04)
[2]可穿戴式负重外骨骼的结构设计与运动学分析[J]. 康静,贾永皓,袁玉荣,赵信义,马芸慧,邱林,庄照波,杨颖鹏,葛立,唐微. 科技展望. 2017(18)
[3]康复机器人发展综述[J]. 肖勇,孙平范,陈罡. 信息系统工程. 2017(05)
[4]青年慢性非特异性腰痛患者腰部本体感觉及其与肌力的相关性[J]. 陈炳霖,郭佳宝,李欣,邹军,王雪强. 中国康复医学杂志. 2017(02)
[5]基于柔性气压驱动器的可穿戴式腰部助力机器人研究[J]. 李向攀,韩建海,郭冰菁,张彦斌,赵菲菲,则次俊郎. 自动化学报. 2016(12)
[6]慢性下腰痛临床病因学研究[J]. 李亨,郑军. 亚太传统医药. 2016(20)
[7]带有死区和摩擦补偿的机械臂伺服系统自适应神经网络控制[J]. 陈强,余梦梦,魏倩. 新型工业化. 2016(08)
[8]关于下背痛患者腰部多裂肌表面肌电信号与肌肉横断面积的研究分析[J]. 宋海新,魏爽,李建华,廖志平. 中华物理医学与康复杂志. 2016 (04)
[9]诱发下腰痛相关因素的研究进展[J]. 徐宏娟. 中国生化药物杂志. 2016(01)
[10]并联式下肢康复外骨骼运动学及工作空间分析[J]. 陈伟海,徐颖俊,王建华,张建斌. 机械工程学报. 2015(13)
硕士论文
[1]基于3-RRS球面并联机构脚踝康复机器人的设计与研究[D]. 李大海.中北大学 2016
[2]基于人机工程学的扭腰康复训练机设计[D]. 李先花.太原理工大学 2010
[3]踝关节融合康复机器人系统的轨迹规划和运动控制[D]. 李丹.燕山大学 2008
[4]含摩擦环节伺服系统的补偿控制[D]. 张丹.西安电子科技大学 2008
[5]机械制造业工人下背痛流行状况及影响因素探讨[D]. 周鼎伦.四川大学 2004
本文编号：3209022
【文章来源】：南京理工大学江苏省 211工程院校
【文章页数】：99 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
SatoshiKawai腰椎外骨骼结构图
1绪论硕士学位论文4（a）实物图（b）简化图图1.1SatoshiKawai腰椎外骨骼结构图2005年，RosalesI等人[13]研发了如图1.2所示的腰椎外骨骼，该装置是一种辅助人体腰椎弯腰运动的外骨骼。它的主要任务是减轻穿戴者在弯腰或者举重时腰椎的负担。机构中使用一对气动人工肌肉作为执行器，位于穿戴者背部两侧从而可以在人体弯腰过程中产生相应的力矩来减轻人体腰部负担。机构中还利用了一些压力传感器、增量编码器来获取机构的位置以及机构对人体的力等信息，以便对腰椎外骨骼进行相应的控制。图1.2RosalesI的腰椎外骨骼结构2006年，SATOY.等人[14]开发了一种针对腰部与膝关节进行助力的可穿戴外骨骼装置，他们的装置用一个额定电压为24V的直流电机驱动，该机构结构如图1.3所示。通过仿真验证，该助力装置可以有效支撑腰部关节，并且在腰部前屈后伸过程中能够有效减少约14%的身体躯干的肌肉疲劳以及40%的腰部的肌肉疲劳。但是由于24V的直流电源难以随身携带，故其助力装置在使用与推广也存在一定的难度。图1.3SATOY腰膝外骨骼
1绪论硕士学位论文4（a）实物图（b）简化图图1.1SatoshiKawai腰椎外骨骼结构图2005年，RosalesI等人[13]研发了如图1.2所示的腰椎外骨骼，该装置是一种辅助人体腰椎弯腰运动的外骨骼。它的主要任务是减轻穿戴者在弯腰或者举重时腰椎的负担。机构中使用一对气动人工肌肉作为执行器，位于穿戴者背部两侧从而可以在人体弯腰过程中产生相应的力矩来减轻人体腰部负担。机构中还利用了一些压力传感器、增量编码器来获取机构的位置以及机构对人体的力等信息，以便对腰椎外骨骼进行相应的控制。图1.2RosalesI的腰椎外骨骼结构2006年，SATOY.等人[14]开发了一种针对腰部与膝关节进行助力的可穿戴外骨骼装置，他们的装置用一个额定电压为24V的直流电机驱动，该机构结构如图1.3所示。通过仿真验证，该助力装置可以有效支撑腰部关节，并且在腰部前屈后伸过程中能够有效减少约14%的身体躯干的肌肉疲劳以及40%的腰部的肌肉疲劳。但是由于24V的直流电源难以随身携带，故其助力装置在使用与推广也存在一定的难度。图1.3SATOY腰膝外骨骼
【参考文献】：
期刊论文
[1]新型四自由度并联机构运动学分析及其优化设计[J]. 王学雷,赵栋杰,张宾,李伟. 东北大学学报(自然科学版). 2018(04)
[2]可穿戴式负重外骨骼的结构设计与运动学分析[J]. 康静,贾永皓,袁玉荣,赵信义,马芸慧,邱林,庄照波,杨颖鹏,葛立,唐微. 科技展望. 2017(18)
[3]康复机器人发展综述[J]. 肖勇,孙平范,陈罡. 信息系统工程. 2017(05)
[4]青年慢性非特异性腰痛患者腰部本体感觉及其与肌力的相关性[J]. 陈炳霖,郭佳宝,李欣,邹军,王雪强. 中国康复医学杂志. 2017(02)
[5]基于柔性气压驱动器的可穿戴式腰部助力机器人研究[J]. 李向攀,韩建海,郭冰菁,张彦斌,赵菲菲,则次俊郎. 自动化学报. 2016(12)
[6]慢性下腰痛临床病因学研究[J]. 李亨,郑军. 亚太传统医药. 2016(20)
[7]带有死区和摩擦补偿的机械臂伺服系统自适应神经网络控制[J]. 陈强,余梦梦,魏倩. 新型工业化. 2016(08)
[8]关于下背痛患者腰部多裂肌表面肌电信号与肌肉横断面积的研究分析[J]. 宋海新,魏爽,李建华,廖志平. 中华物理医学与康复杂志. 2016 (04)
[9]诱发下腰痛相关因素的研究进展[J]. 徐宏娟. 中国生化药物杂志. 2016(01)
[10]并联式下肢康复外骨骼运动学及工作空间分析[J]. 陈伟海,徐颖俊,王建华,张建斌. 机械工程学报. 2015(13)
硕士论文
[1]基于3-RRS球面并联机构脚踝康复机器人的设计与研究[D]. 李大海.中北大学 2016
[2]基于人机工程学的扭腰康复训练机设计[D]. 李先花.太原理工大学 2010
[3]踝关节融合康复机器人系统的轨迹规划和运动控制[D]. 李丹.燕山大学 2008
[4]含摩擦环节伺服系统的补偿控制[D]. 张丹.西安电子科技大学 2008
[5]机械制造业工人下背痛流行状况及影响因素探讨[D]. 周鼎伦.四川大学 2004
本文编号：3209022
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