基于生物力學(xué)分析的下肢康復(fù)并聯(lián)機構(gòu)設(shè)計與仿真研究
發(fā)布時間：2020-12-25 19:31
本文密切結(jié)合下肢康復(fù)機器人設(shè)計需求,在國家自然科學(xué)基金的資助下,提出一種利用主要動力肌肉訓(xùn)練替代步態(tài)模擬的康復(fù)訓(xùn)練方法,并基于生物力學(xué)仿真,系統(tǒng)研究了一種足底驅(qū)動3自由度下肢康復(fù)并聯(lián)機構(gòu)的康復(fù)軌跡規(guī)劃、運動學(xué)分析、控制及運動仿真分析等內(nèi)容。論文取得如下成果:(1)基于人體下肢運動生物力學(xué)仿真分析和步行主要動力肌肉的基本訓(xùn)練形式及功能研究,確定了步行中的主要動力肌肉,進而提出一種利用主要動力肌肉訓(xùn)練替代步態(tài)模擬的康復(fù)訓(xùn)練方法,降低了下肢康復(fù)機構(gòu)設(shè)計的復(fù)雜性,并確定了足底驅(qū)動式下肢康復(fù)機構(gòu)動平臺的自由度類型、數(shù)目及運動范圍。(2)基于拋物線型過渡域線性軌跡,分別開展動平臺3個自由度的軌跡規(guī)劃研究,結(jié)合人體解剖學(xué)和生物力學(xué)仿真試驗,對不同自由度的運動組合形式進行篩選,確定了替代人體步行軌跡的復(fù)合康復(fù)軌跡;在此基礎(chǔ)上,提出康復(fù)訓(xùn)練評價指標,驗證了步行主要動力肌肉的肌力和活性滿足康復(fù)訓(xùn)練強度要求。(3)根據(jù)復(fù)合康復(fù)軌跡和下肢康復(fù)機構(gòu)設(shè)計要求,提出了一種冗余柔性驅(qū)動兩轉(zhuǎn)一平下肢康復(fù)并聯(lián)機構(gòu),結(jié)合設(shè)計的復(fù)合康復(fù)軌跡,完成了機構(gòu)逆運動學(xué)數(shù)值仿真分析,為后續(xù)的虛擬樣機仿真奠定了基礎(chǔ);在此基礎(chǔ)上,提出控制...
【文章來源】：天津大學(xué)天津市 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數(shù)】：80 頁
【學(xué)位級別】：碩士
【部分圖文】：
跑步機式下肢康復(fù)機器人((a)Lokomat;(b)AutoAmbulator;(c)LOPESFigure1-1Exoskeletonrehabilitationrobotforlowerlimbs:(a)
可實現(xiàn)患者的主動康復(fù)訓(xùn)練。由浙江大學(xué)研制的外骨骼下肢康復(fù)機器人[29]如圖1-2(c) 所示，機器人采用氣動肌肉模擬人體下肢主要肌群的運動，能夠?qū)崿F(xiàn)髖關(guān)節(jié)與膝關(guān)節(jié)在矢狀面內(nèi)的兩個運動自由度。通過上述分析可知，外骨骼式下肢康復(fù)機器人的驅(qū)動器一般布置在髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)處，通過驅(qū)動患者下肢模擬人體正常步行運動。通常，外骨骼式下肢康復(fù)機器人需要患者具有一定的下肢運動能力，在使用時需要根據(jù)不同患者的體態(tài)特征調(diào)節(jié)外骨骼機構(gòu)尺寸，穿戴較為繁瑣。此外，由于采用了跑步機，使得康復(fù)訓(xùn)練被局限于單一平面內(nèi)，跑步機與外骨骼運動不同步時有可能造成人體關(guān)節(jié)反張，導(dǎo)致二次傷害。(2) 足底平臺式下肢康復(fù)機器人(a)圖 1-2 外骨骼式下肢康復(fù)機器人 (a)ALEX III；(b) 上海大學(xué)外骨骼；(c) 浙江大學(xué)外骨骼Figure 1-2 Exoskeleton rehabilitation robot for lower limbs: (a) ALEX III; (b) ShanghaiUniversity’s exoskeleton and (c) Zhejian
圖 1-3(a) 所示為德國自由大學(xué)研制的下肢康復(fù)機器人 MGT (MechanizedGait Trainer)[31-34]。該機器人采用單自由度雙曲柄搖桿機構(gòu)，通過踏板運動帶動人體下肢模擬往復(fù)步態(tài)的橢圓運動軌跡，具有結(jié)構(gòu)簡單、使用方便等特點。新型六自由度下肢康復(fù)機器人 Hapticwalker[35-38]，如圖 1-3(b) 所示，該機器人可實現(xiàn)矢狀面內(nèi)多種軌跡和姿態(tài)運動，同時結(jié)合虛擬現(xiàn)實技術(shù)，通過逼真的步行環(huán)境模擬，提高了康復(fù)療效。為避免康復(fù)機器人急停對患者造成二次傷害，系統(tǒng)還設(shè)置了冗余的硬件和軟件急停回路[38]。G-EO system 下肢康復(fù)機器人[39-41]由意大利 Reha-Technology 公司研制，如圖 1-3(c) 所示。該機器人的踏板運動軌跡可通過編程修改，從而調(diào)整步長和步速，并可以模擬上/下樓梯的下肢運動，同時具有主動、被動兩種訓(xùn)練模式。德國 WOODWAY 公司研制的小型下肢康復(fù)機器人LokoHelp[42]如圖 1-4(a) 所示。該機器人通過跑步機的運動帶動步態(tài)矯正器協(xié)同運動，引導(dǎo)足、膝、髖關(guān)節(jié)運動，從而完成下肢的康復(fù)訓(xùn)練[43]，具有驅(qū)動方式簡單、體積較小等優(yōu)點。哈爾濱工程大學(xué)圍繞足底驅(qū)動式下肢康復(fù)機器人開展了大量的研究工作，研制的考慮跖趾關(guān)節(jié)運動的下肢康復(fù)機器人如圖 1-4(b) 所示。該機器人包含腳踏
【參考文獻】：
期刊論文
[1]基于高速開關(guān)閥的氣動人工肌肉軌跡跟蹤控制仿真[J]. 謝勝龍,劉海濤,梅江平,王攀峰. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報. 2017(01)
[2]單自由度可調(diào)下肢康復(fù)機器人機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[J]. 項忠霞,邵一鑫,李力力. 天津大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)與工程技術(shù)版). 2017(08)
[3]基于Anybody的自行車騎行運動仿真與試驗分析[J]. 高飛,項忠霞,趙明,李力力,胡志剛,張健. 機械設(shè)計. 2016(01)
[4]氣動換擋執(zhí)行機構(gòu)壓力特性仿真與試驗[J]. 沈文臣,胡宇輝,余天嘯,席軍強,陳慧巖. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報. 2016(02)
[5]一種外骨骼式康復(fù)機器人訓(xùn)練效果仿真[J]. 項忠霞,趙明,高飛,金騰,胡志剛,張健. 天津大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)與工程技術(shù)版). 2016(07)
[6]基于AnyBody的髖關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練肌肉力的分析[J]. 單麗君,胡忠安. 大連交通大學(xué)學(xué)報. 2014(01)
[7]一種新型6自由度運動平臺的控制研究[J]. 施昕昕,常思勤. 機械工程學(xué)報. 2014(03)
[8]基于AnyBody的汽車駕駛中人體腿部逆向動力學(xué)仿真[J]. 丁晨,王君澤,高瞻. 中國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報. 2013(01)
[9]Synchronous tracking control of 6-DOF hydraulic parallel manipulator using cascade control method[J]. 皮陽軍,王宣銀,顧曦. Journal of Central South University of Technology. 2011(05)
[10]臨床護理路徑在腦卒中患者肢體康復(fù)中的應(yīng)用研究[J]. 鄭舟軍,戎燕,張麗平,龔戩芳,劉文琴,郁迪. 浙江中醫(yī)藥大學(xué)學(xué)報. 2011(03)
博士論文
[1]臥式下肢康復(fù)機器人研究[D]. 孫洪穎.哈爾濱工程大學(xué) 2011
[2]康復(fù)機器人樣機研制及步態(tài)控制研究[D]. 王令軍.哈爾濱工程大學(xué) 2010
[3]步行康復(fù)訓(xùn)練助行腿機器人系統(tǒng)[D]. 馮治國.上海大學(xué) 2009
[4]下肢康復(fù)訓(xùn)練機器人關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 張曉超.哈爾濱工程大學(xué) 2009
[5]人體下肢關(guān)節(jié)系統(tǒng)的生物力學(xué)行為研究[D]. 姜海波.中國礦業(yè)大學(xué) 2008
碩士論文
[1]基于AnyBody生物力學(xué)仿真的駕駛姿勢舒適機理研究[D]. 華猛.吉林大學(xué) 2015
[2]基于AnyBody的汽車駕駛員坐姿生物力學(xué)特性分析及舒適性設(shè)計[D]. 李文昊.山東大學(xué) 2015
[3]下肢康復(fù)訓(xùn)練機器人設(shè)計與研究[D]. 張冰.長春工業(yè)大學(xué) 2015
[4]下肢康復(fù)機器人的分析與研究[D]. 劉林.沈陽工業(yè)大學(xué) 2015
[5]下肢康復(fù)機器人步態(tài)規(guī)劃的宜人性研究[D]. 周曉晨.河北工業(yè)大學(xué) 2015
[6]新型繩驅(qū)動并聯(lián)踝關(guān)節(jié)康復(fù)機構(gòu)設(shè)計及分析[D]. 禹潤田.北京交通大學(xué) 2015
[7]基于高速開關(guān)閥的氣動高精度運動控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 王曉龍.浙江大學(xué) 2013
[8]運動型自行車車架設(shè)計方法研究[D]. 李亞南.天津大學(xué) 2012
[9]肩關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練機器人的設(shè)計與研究[D]. 蔡峰.大連交通大學(xué) 2012
[10]基于人機工程學(xué)的自行車設(shè)計方法研究與應(yīng)用[D]. 吳小凡.天津大學(xué) 2008
本文編號：2938260
【文章來源】：天津大學(xué)天津市 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數(shù)】：80 頁
【學(xué)位級別】：碩士
【部分圖文】：
跑步機式下肢康復(fù)機器人((a)Lokomat;(b)AutoAmbulator;(c)LOPESFigure1-1Exoskeletonrehabilitationrobotforlowerlimbs:(a)
可實現(xiàn)患者的主動康復(fù)訓(xùn)練。由浙江大學(xué)研制的外骨骼下肢康復(fù)機器人[29]如圖1-2(c) 所示，機器人采用氣動肌肉模擬人體下肢主要肌群的運動，能夠?qū)崿F(xiàn)髖關(guān)節(jié)與膝關(guān)節(jié)在矢狀面內(nèi)的兩個運動自由度。通過上述分析可知，外骨骼式下肢康復(fù)機器人的驅(qū)動器一般布置在髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)處，通過驅(qū)動患者下肢模擬人體正常步行運動。通常，外骨骼式下肢康復(fù)機器人需要患者具有一定的下肢運動能力，在使用時需要根據(jù)不同患者的體態(tài)特征調(diào)節(jié)外骨骼機構(gòu)尺寸，穿戴較為繁瑣。此外，由于采用了跑步機，使得康復(fù)訓(xùn)練被局限于單一平面內(nèi)，跑步機與外骨骼運動不同步時有可能造成人體關(guān)節(jié)反張，導(dǎo)致二次傷害。(2) 足底平臺式下肢康復(fù)機器人(a)圖 1-2 外骨骼式下肢康復(fù)機器人 (a)ALEX III；(b) 上海大學(xué)外骨骼；(c) 浙江大學(xué)外骨骼Figure 1-2 Exoskeleton rehabilitation robot for lower limbs: (a) ALEX III; (b) ShanghaiUniversity’s exoskeleton and (c) Zhejian
圖 1-3(a) 所示為德國自由大學(xué)研制的下肢康復(fù)機器人 MGT (MechanizedGait Trainer)[31-34]。該機器人采用單自由度雙曲柄搖桿機構(gòu)，通過踏板運動帶動人體下肢模擬往復(fù)步態(tài)的橢圓運動軌跡，具有結(jié)構(gòu)簡單、使用方便等特點。新型六自由度下肢康復(fù)機器人 Hapticwalker[35-38]，如圖 1-3(b) 所示，該機器人可實現(xiàn)矢狀面內(nèi)多種軌跡和姿態(tài)運動，同時結(jié)合虛擬現(xiàn)實技術(shù)，通過逼真的步行環(huán)境模擬，提高了康復(fù)療效。為避免康復(fù)機器人急停對患者造成二次傷害，系統(tǒng)還設(shè)置了冗余的硬件和軟件急停回路[38]。G-EO system 下肢康復(fù)機器人[39-41]由意大利 Reha-Technology 公司研制，如圖 1-3(c) 所示。該機器人的踏板運動軌跡可通過編程修改，從而調(diào)整步長和步速，并可以模擬上/下樓梯的下肢運動，同時具有主動、被動兩種訓(xùn)練模式。德國 WOODWAY 公司研制的小型下肢康復(fù)機器人LokoHelp[42]如圖 1-4(a) 所示。該機器人通過跑步機的運動帶動步態(tài)矯正器協(xié)同運動，引導(dǎo)足、膝、髖關(guān)節(jié)運動，從而完成下肢的康復(fù)訓(xùn)練[43]，具有驅(qū)動方式簡單、體積較小等優(yōu)點。哈爾濱工程大學(xué)圍繞足底驅(qū)動式下肢康復(fù)機器人開展了大量的研究工作，研制的考慮跖趾關(guān)節(jié)運動的下肢康復(fù)機器人如圖 1-4(b) 所示。該機器人包含腳踏
【參考文獻】：
期刊論文
[1]基于高速開關(guān)閥的氣動人工肌肉軌跡跟蹤控制仿真[J]. 謝勝龍,劉海濤,梅江平,王攀峰. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報. 2017(01)
[2]單自由度可調(diào)下肢康復(fù)機器人機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[J]. 項忠霞,邵一鑫,李力力. 天津大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)與工程技術(shù)版). 2017(08)
[3]基于Anybody的自行車騎行運動仿真與試驗分析[J]. 高飛,項忠霞,趙明,李力力,胡志剛,張健. 機械設(shè)計. 2016(01)
[4]氣動換擋執(zhí)行機構(gòu)壓力特性仿真與試驗[J]. 沈文臣,胡宇輝,余天嘯,席軍強,陳慧巖. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報. 2016(02)
[5]一種外骨骼式康復(fù)機器人訓(xùn)練效果仿真[J]. 項忠霞,趙明,高飛,金騰,胡志剛,張健. 天津大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)與工程技術(shù)版). 2016(07)
[6]基于AnyBody的髖關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練肌肉力的分析[J]. 單麗君,胡忠安. 大連交通大學(xué)學(xué)報. 2014(01)
[7]一種新型6自由度運動平臺的控制研究[J]. 施昕昕,常思勤. 機械工程學(xué)報. 2014(03)
[8]基于AnyBody的汽車駕駛中人體腿部逆向動力學(xué)仿真[J]. 丁晨,王君澤,高瞻. 中國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報. 2013(01)
[9]Synchronous tracking control of 6-DOF hydraulic parallel manipulator using cascade control method[J]. 皮陽軍,王宣銀,顧曦. Journal of Central South University of Technology. 2011(05)
[10]臨床護理路徑在腦卒中患者肢體康復(fù)中的應(yīng)用研究[J]. 鄭舟軍,戎燕,張麗平,龔戩芳,劉文琴,郁迪. 浙江中醫(yī)藥大學(xué)學(xué)報. 2011(03)
博士論文
[1]臥式下肢康復(fù)機器人研究[D]. 孫洪穎.哈爾濱工程大學(xué) 2011
[2]康復(fù)機器人樣機研制及步態(tài)控制研究[D]. 王令軍.哈爾濱工程大學(xué) 2010
[3]步行康復(fù)訓(xùn)練助行腿機器人系統(tǒng)[D]. 馮治國.上海大學(xué) 2009
[4]下肢康復(fù)訓(xùn)練機器人關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 張曉超.哈爾濱工程大學(xué) 2009
[5]人體下肢關(guān)節(jié)系統(tǒng)的生物力學(xué)行為研究[D]. 姜海波.中國礦業(yè)大學(xué) 2008
碩士論文
[1]基于AnyBody生物力學(xué)仿真的駕駛姿勢舒適機理研究[D]. 華猛.吉林大學(xué) 2015
[2]基于AnyBody的汽車駕駛員坐姿生物力學(xué)特性分析及舒適性設(shè)計[D]. 李文昊.山東大學(xué) 2015
[3]下肢康復(fù)訓(xùn)練機器人設(shè)計與研究[D]. 張冰.長春工業(yè)大學(xué) 2015
[4]下肢康復(fù)機器人的分析與研究[D]. 劉林.沈陽工業(yè)大學(xué) 2015
[5]下肢康復(fù)機器人步態(tài)規(guī)劃的宜人性研究[D]. 周曉晨.河北工業(yè)大學(xué) 2015
[6]新型繩驅(qū)動并聯(lián)踝關(guān)節(jié)康復(fù)機構(gòu)設(shè)計及分析[D]. 禹潤田.北京交通大學(xué) 2015
[7]基于高速開關(guān)閥的氣動高精度運動控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 王曉龍.浙江大學(xué) 2013
[8]運動型自行車車架設(shè)計方法研究[D]. 李亞南.天津大學(xué) 2012
[9]肩關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練機器人的設(shè)計與研究[D]. 蔡峰.大連交通大學(xué) 2012
[10]基于人機工程學(xué)的自行車設(shè)計方法研究與應(yīng)用[D]. 吳小凡.天津大學(xué) 2008
本文編號：2938260
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