發(fā)布時(shí)間：2020-06-03 01:03

【摘要】：下肢單關(guān)節(jié)康復(fù)裝置是基于患者功能性輔助治療的需求,融合臨床康復(fù)學(xué)、人機(jī)工程學(xué)、機(jī)器人學(xué)、控制工程、仿生學(xué)等眾多學(xué)科知識(shí)而產(chǎn)生的一種智能醫(yī)療裝置。根據(jù)康復(fù)需求,設(shè)定相應(yīng)的康復(fù)模式,代替醫(yī)師進(jìn)行長時(shí)間的重復(fù)康復(fù)工作。本課題的目標(biāo)是開發(fā)一款具有人體肌肉特性的穿戴式下肢單關(guān)節(jié)助力康復(fù)裝置,包括髖/膝關(guān)節(jié)康復(fù)裝置各一套,該裝置在保證符合人體運(yùn)動(dòng)學(xué)的基礎(chǔ)上,傳動(dòng)裝置按照人體相應(yīng)動(dòng)作的主要作用肌肉位置進(jìn)行路徑的布置,并且具有與人體肌肉收縮過程中相似的彈性與承載特性。針對(duì)課題目標(biāo),本文從以下幾個(gè)方面進(jìn)行探索研究:首先根據(jù)解剖學(xué),分析人體下肢髖/膝關(guān)節(jié)的生理結(jié)構(gòu)構(gòu)成,將步態(tài)過程中髖/膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)自由度進(jìn)行簡化。利用虛擬仿真軟件OpenSim對(duì)人體步態(tài)過程中的肌肉群進(jìn)行定量分析,簡化下肢冗余肌肉群,確立仿生對(duì)象及其特性。其次,結(jié)合Hill肌肉模型,確定總體構(gòu)型方案,設(shè)計(jì)出符合人體運(yùn)動(dòng)學(xué)、具有仿生特性的輕質(zhì)便攜復(fù)式套索人工肌肉髖/膝關(guān)節(jié)康復(fù)裝置。根據(jù)制定的控制策略選定控制系統(tǒng)以及傳感系統(tǒng)硬件。然后,在髖/膝關(guān)節(jié)康復(fù)裝置的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性以及動(dòng)力學(xué)特性分析方面,針對(duì)裝置的本體結(jié)構(gòu)以及套索人工肌肉傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行建模,利用人體正常步態(tài)數(shù)據(jù)作為信號(hào)輸入,搭建Simulink閉環(huán)反饋控制系統(tǒng),驗(yàn)證系統(tǒng)的跟隨響應(yīng)特性。最后,設(shè)計(jì)雙輸入單輸出的模糊PID算法,實(shí)現(xiàn)外骨骼裝置對(duì)人體的隨動(dòng)。利用Neuron動(dòng)作捕捉系統(tǒng)獲得的實(shí)驗(yàn)對(duì)象自由步態(tài)以及穿戴裝置下的髖/膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證裝置的可行性以及穿戴的舒適性;設(shè)計(jì)隨動(dòng)算法以及階段性助力控制策略,并進(jìn)行相應(yīng)的效果評(píng)估實(shí)驗(yàn)。
【圖文】：

圖 1-1 無動(dòng)力膝關(guān)節(jié)裝置 圖 1-2AKROD 動(dòng)力膝關(guān)節(jié)裝置 圖 1-3 套索驅(qū)動(dòng)動(dòng)力式膝關(guān)節(jié)裝和膝關(guān)節(jié)相比較，髖關(guān)節(jié)外骨骼裝置同樣作為單自由度（加以驅(qū)動(dòng)）裝置，在研過程中，具有許多相同之處。和膝關(guān)節(jié)不同的是，髖關(guān)節(jié)作為人體下肢和上肢的連接節(jié)，一般具有左右兩個(gè)對(duì)稱性關(guān)節(jié)，在康復(fù)訓(xùn)練的過程中，一般對(duì)左右兩個(gè)關(guān)節(jié)進(jìn)行復(fù)訓(xùn)練，，并且控制系統(tǒng)的不斷演化以及評(píng)價(jià)手段的不斷豐富，將單關(guān)節(jié)外骨骼裝置的展不斷向前推進(jìn)。1.2.1 國外研究現(xiàn)狀針對(duì)下肢單關(guān)節(jié)外骨骼康復(fù)裝置的研究，國外起步相對(duì)較早。目前主要研究機(jī)構(gòu)有美國的 MIT、CMU、Yale 等高校以及日本的 Honda 公司等。而根據(jù)結(jié)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)元大致分為兩類：剛性外骨骼裝置和柔性外骨骼裝置。1.2.1.1 剛性外骨骼研究現(xiàn)狀在康復(fù)外骨骼研制的前期，大部分采用剛性連桿結(jié)構(gòu)完成結(jié)構(gòu)的整體設(shè)計(jì)，并且接通過電機(jī)加減速器直接驅(qū)動(dòng)，所以稱為剛性外骨骼裝置。

圖 1-1 無動(dòng)力膝關(guān)節(jié)裝置 圖 1-2AKROD 動(dòng)力膝關(guān)節(jié)裝置 圖 1-3 套索驅(qū)動(dòng)動(dòng)力式膝關(guān)節(jié)裝和膝關(guān)節(jié)相比較，髖關(guān)節(jié)外骨骼裝置同樣作為單自由度（加以驅(qū)動(dòng)）裝置，在研過程中，具有許多相同之處。和膝關(guān)節(jié)不同的是，髖關(guān)節(jié)作為人體下肢和上肢的連接節(jié)，一般具有左右兩個(gè)對(duì)稱性關(guān)節(jié)，在康復(fù)訓(xùn)練的過程中，一般對(duì)左右兩個(gè)關(guān)節(jié)進(jìn)行復(fù)訓(xùn)練，并且控制系統(tǒng)的不斷演化以及評(píng)價(jià)手段的不斷豐富，將單關(guān)節(jié)外骨骼裝置的展不斷向前推進(jìn)。1.2.1 國外研究現(xiàn)狀針對(duì)下肢單關(guān)節(jié)外骨骼康復(fù)裝置的研究，國外起步相對(duì)較早。目前主要研究機(jī)構(gòu)有美國的 MIT、CMU、Yale 等高校以及日本的 Honda 公司等。而根據(jù)結(jié)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)元大致分為兩類：剛性外骨骼裝置和柔性外骨骼裝置。1.2.1.1 剛性外骨骼研究現(xiàn)狀在康復(fù)外骨骼研制的前期，大部分采用剛性連桿結(jié)構(gòu)完成結(jié)構(gòu)的整體設(shè)計(jì)，并且接通過電機(jī)加減速器直接驅(qū)動(dòng)，所以稱為剛性外骨骼裝置。
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TH789

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2694051