面向截癱患者移動輔助機器人助行機理研究及系統(tǒng)設計
發(fā)布時間：2021-01-16 12:26
下肢康復機器人在幫助截癱患者康復訓練過程中起到重要作用,極大緩解了傳統(tǒng)人工輔助康復訓練中理療師任務繁重效率低的問題。本文在詳細調查研究下肢康復訓練機器人的基礎上,綜合各種機器人特點,提出融合坐、立、行三態(tài)輔助機器人的設計思路,研究并完成了該截癱助行機器人的系統(tǒng)設計,同時研究了用于助行機器人控制策略的基于足底壓力步態(tài)相位識別等內容。論文取得的研究成果如下:1.在分析國內外各種下肢康復機器人特點的基礎上,進行人體運動特性研究。根據人體行走過程,劃分了步態(tài)周期,為后面步態(tài)相位識別奠定基礎;通過分析人體站立過程來分析人體運動空間,從而進行機器人結構設計;結合人機工程學,依據要設計的截癱助行機器人要滿足的功能要求進行主要尺寸參數的計算。2.面向截癱患者站立行走的需求,提出融合坐、立、行三態(tài)輔助機器人的設計的思路,依據前述人機工程學參數完成輔助行走功能三自由度外骨骼結構設計和運動學分析,設計移動升降裝置完成人體的站立功能,包括豎直方向外骨骼欠驅動的結構設計。為了滿足在人體坐立過程中坐板的收放功能,在深入研究四桿機構的研究上,基于優(yōu)化綜合解法完成了坐、立姿態(tài)轉換六桿機構設計,該設計為雙曲柄滑塊機構,...
【文章來源】：天津大學天津市 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數】：76 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
浙江大學外骨骼康復機器人Figure1-9ZhejiangUniversity’sexoskeleton
第一章緒論6節(jié)則通過跑步機的協(xié)調運動實現被動驅動。并且可以根據患者的主被動方式調節(jié)不同的控制方式實現三種訓練模式，同時可以根據貼合在人體表面的肌電信號對康復水平進行評估，方便醫(yī)生和患者及時評估其恢復情況。圖1-9浙江大學外骨骼康復機器人圖1-10清華大學助行外骨骼機器人Figure1-9ZhejiangUniversity’sexoskeletonFigure1-10QinghauUniversity’sexoskeleton清華大學的張濟川課題組也研制了一套助行外骨骼機器人[30]，已經研制一臺可以應用于臨床的試驗用的機器人。如圖1-10所示。該外骨骼每條機械腿只用一個微電機來驅動，通過微電機帶動連桿機構從而實現髖膝關節(jié)的聯動。同側的髖膝關節(jié)共用一個曲柄，這樣可以實現雙關節(jié)聯動的效果。該助行外骨骼機器人可以作為下肢運動功能障礙者的康復設備，可以在步行機構驅動下獨立行走。如圖1-11所示為哈爾濱工程大學研制的下肢康復機器人，該機器人是采用的足底驅動的方式，采用曲柄連桿機構實現足底的運動，用直流伺服電機驅動曲柄從而帶動患者足部運動，通過模擬正常人步行時踝關節(jié)的姿態(tài)變化產生與正常人步態(tài)相近的運動軌跡，來實現輔助患者下肢運動的功能，從而達到康復效果。腳踏板中心位于連桿上且角度可調，可以調整步速和步幅，也可以遠程控制。上海大學研制的一款康復機器人系統(tǒng)如圖1-12所示，根據Lokomat下肢康復機器人的設計理念進行設計，同樣采用外骨骼加跑步機的形式，兩者組合在一起完成輔助行走訓練功能。根據機器人上傳感器的信息反饋，通過計算力矩，采用徑向基函數的神經網絡補償控制的方法實現了機器的主動控制模式，也可以反映下肢運動狀態(tài)，能夠實時掌握患肢的康復情況[32]。
第一章緒論7圖1-11哈爾濱工程大學下肢康復機器人圖1-12上海大學外骨骼機器人Figure1-11HarbinEngineeringUniversity’srobotFigure1-12ShanghaiUniversity’srobot基于足底壓力步態(tài)相位識別研究對于下肢康復機器人系統(tǒng)，主要包括機械結構和控制算法兩部分，機械結構前面對國內外研究現狀已經做了詳細的介紹，而在下肢康復機器人控制策略設計中，用戶的意圖的識別至關重要，具體就是識別人體的行走意圖，也即為識別行走的步態(tài)階段。對于步態(tài)意圖識別，步態(tài)相位劃分是分析行走的一般方法。行走是一個步幅的周期性行為，從一條腿的腳后跟接觸地面到同一條腿的下一次腳跟撞擊地面。步態(tài)相分類信息有很多應用。根據信息的使用方式和位置，有兩個主要應用領域。首先，如上所述，步態(tài)階段信息可用于評估和確定人的行走模式。傳統(tǒng)上，這樣的信息被用作評定其它時空參數的定量數據（例如，跨距寬度，行走速度，節(jié)奏和步行對稱程度），可以作為康復診斷和評價行走步態(tài)。其次，步態(tài)相位分類結果用于幾種助行裝置，下肢外骨骼機器人和智能假體[33]等，用來幫助下肢運動功能障礙的人。步態(tài)相位信息對步行輔助設備尤為重要。FES裝置利用這些信息使脊髓損傷患者通過下肢肌肉的直接電子刺激行走。下肢外骨骼機器人用于幫助行走障礙的人并提高健康受試者的表現。當機器人與用戶一起行走時，控制模型根據關于一只腳或兩只腳是否與地面接觸的信息而改變。因此，步態(tài)相位信息是必要的控制輸入。同樣，在智能下肢假肢中，必須改變人工膝關節(jié)的阻尼系數以模擬人體的阻尼系數，以減少能量消耗并使下肢截肢者能夠穩(wěn)定地行走。步態(tài)信息是這種情況下的重要組成部分。要在上述情況下使用，步態(tài)相位信息必須正確分類。步態(tài)相位分類的問題可
【參考文獻】：
期刊論文
[1]基于多信息融合的下肢外骨骼機器人感知系統(tǒng)研究[J]. 黃梓亮,方晨昊,歐陽小平,楊金江,楊華勇. 工程設計學報. 2018(02)
[2]人口老齡化與經濟發(fā)展水平:國際比較及其啟示[J]. 景韶東. 現代商業(yè). 2018(04)
[3]GA-BP神經網絡在下肢運動步態(tài)識別中的應用研究[J]. 馬玉良,馬云鵬,張啟忠,羅志增,楊家強. 傳感技術學報. 2013(09)
[4]下肢康復訓練機器人研究進展[J]. 張嬌嬌,胡秀枋,徐秀林. 中國康復理論與實踐. 2012(08)
[5]下肢步態(tài)康復機器人:研究進展及臨床應用[J]. 丁敏,李建民,吳慶文,沈海濤. 中國組織工程研究與臨床康復. 2010(35)
[6]減重步行康復訓練機器人研究進展[J]. 程方,王人成,賈曉紅,張濟川. 中國康復醫(yī)學雜志. 2008(04)
[7]正常青年人行走步態(tài)的實驗研究[J]. 劉德俊,酈鳴陽,沈力行. 上海理工大學學報. 2008(01)
[8]一種新型三自由度下肢康復訓練機器人步態(tài)機構運動分析及仿真[J]. 張曉超,張立勛,顏慶. 自動化技術與應用. 2005(03)
[9]腦卒中康復研究新進展[J]. 周維金,王玉琴,崔利華. 中國康復醫(yī)學雜志. 2002(02)
博士論文
[1]步行康復訓練助行腿機器人系統(tǒng)[D]. 馮治國.上海大學 2009
[2]基于柔性外骨骼人機智能系統(tǒng)基礎理論及應用技術研究[D]. 張佳帆.浙江大學 2009
碩士論文
[1]基于人體生理參數的下肢康復機器人設計與仿真分析[D]. 李力力.天津大學 2018
[2]下肢外骨骼行走康復機器人研究[D]. 饒玲軍.上海交通大學 2012
[3]老年人輔助站立座椅設計研究[D]. 王建光.浙江大學 2008
本文編號：2980827
【文章來源】：天津大學天津市 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數】：76 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
浙江大學外骨骼康復機器人Figure1-9ZhejiangUniversity’sexoskeleton
第一章緒論6節(jié)則通過跑步機的協(xié)調運動實現被動驅動。并且可以根據患者的主被動方式調節(jié)不同的控制方式實現三種訓練模式，同時可以根據貼合在人體表面的肌電信號對康復水平進行評估，方便醫(yī)生和患者及時評估其恢復情況。圖1-9浙江大學外骨骼康復機器人圖1-10清華大學助行外骨骼機器人Figure1-9ZhejiangUniversity’sexoskeletonFigure1-10QinghauUniversity’sexoskeleton清華大學的張濟川課題組也研制了一套助行外骨骼機器人[30]，已經研制一臺可以應用于臨床的試驗用的機器人。如圖1-10所示。該外骨骼每條機械腿只用一個微電機來驅動，通過微電機帶動連桿機構從而實現髖膝關節(jié)的聯動。同側的髖膝關節(jié)共用一個曲柄，這樣可以實現雙關節(jié)聯動的效果。該助行外骨骼機器人可以作為下肢運動功能障礙者的康復設備，可以在步行機構驅動下獨立行走。如圖1-11所示為哈爾濱工程大學研制的下肢康復機器人，該機器人是采用的足底驅動的方式，采用曲柄連桿機構實現足底的運動，用直流伺服電機驅動曲柄從而帶動患者足部運動，通過模擬正常人步行時踝關節(jié)的姿態(tài)變化產生與正常人步態(tài)相近的運動軌跡，來實現輔助患者下肢運動的功能，從而達到康復效果。腳踏板中心位于連桿上且角度可調，可以調整步速和步幅，也可以遠程控制。上海大學研制的一款康復機器人系統(tǒng)如圖1-12所示，根據Lokomat下肢康復機器人的設計理念進行設計，同樣采用外骨骼加跑步機的形式，兩者組合在一起完成輔助行走訓練功能。根據機器人上傳感器的信息反饋，通過計算力矩，采用徑向基函數的神經網絡補償控制的方法實現了機器的主動控制模式，也可以反映下肢運動狀態(tài)，能夠實時掌握患肢的康復情況[32]。
第一章緒論7圖1-11哈爾濱工程大學下肢康復機器人圖1-12上海大學外骨骼機器人Figure1-11HarbinEngineeringUniversity’srobotFigure1-12ShanghaiUniversity’srobot基于足底壓力步態(tài)相位識別研究對于下肢康復機器人系統(tǒng)，主要包括機械結構和控制算法兩部分，機械結構前面對國內外研究現狀已經做了詳細的介紹，而在下肢康復機器人控制策略設計中，用戶的意圖的識別至關重要，具體就是識別人體的行走意圖，也即為識別行走的步態(tài)階段。對于步態(tài)意圖識別，步態(tài)相位劃分是分析行走的一般方法。行走是一個步幅的周期性行為，從一條腿的腳后跟接觸地面到同一條腿的下一次腳跟撞擊地面。步態(tài)相分類信息有很多應用。根據信息的使用方式和位置，有兩個主要應用領域。首先，如上所述，步態(tài)階段信息可用于評估和確定人的行走模式。傳統(tǒng)上，這樣的信息被用作評定其它時空參數的定量數據（例如，跨距寬度，行走速度，節(jié)奏和步行對稱程度），可以作為康復診斷和評價行走步態(tài)。其次，步態(tài)相位分類結果用于幾種助行裝置，下肢外骨骼機器人和智能假體[33]等，用來幫助下肢運動功能障礙的人。步態(tài)相位信息對步行輔助設備尤為重要。FES裝置利用這些信息使脊髓損傷患者通過下肢肌肉的直接電子刺激行走。下肢外骨骼機器人用于幫助行走障礙的人并提高健康受試者的表現。當機器人與用戶一起行走時，控制模型根據關于一只腳或兩只腳是否與地面接觸的信息而改變。因此，步態(tài)相位信息是必要的控制輸入。同樣，在智能下肢假肢中，必須改變人工膝關節(jié)的阻尼系數以模擬人體的阻尼系數，以減少能量消耗并使下肢截肢者能夠穩(wěn)定地行走。步態(tài)信息是這種情況下的重要組成部分。要在上述情況下使用，步態(tài)相位信息必須正確分類。步態(tài)相位分類的問題可
【參考文獻】：
期刊論文
[1]基于多信息融合的下肢外骨骼機器人感知系統(tǒng)研究[J]. 黃梓亮,方晨昊,歐陽小平,楊金江,楊華勇. 工程設計學報. 2018(02)
[2]人口老齡化與經濟發(fā)展水平:國際比較及其啟示[J]. 景韶東. 現代商業(yè). 2018(04)
[3]GA-BP神經網絡在下肢運動步態(tài)識別中的應用研究[J]. 馬玉良,馬云鵬,張啟忠,羅志增,楊家強. 傳感技術學報. 2013(09)
[4]下肢康復訓練機器人研究進展[J]. 張嬌嬌,胡秀枋,徐秀林. 中國康復理論與實踐. 2012(08)
[5]下肢步態(tài)康復機器人:研究進展及臨床應用[J]. 丁敏,李建民,吳慶文,沈海濤. 中國組織工程研究與臨床康復. 2010(35)
[6]減重步行康復訓練機器人研究進展[J]. 程方,王人成,賈曉紅,張濟川. 中國康復醫(yī)學雜志. 2008(04)
[7]正常青年人行走步態(tài)的實驗研究[J]. 劉德俊,酈鳴陽,沈力行. 上海理工大學學報. 2008(01)
[8]一種新型三自由度下肢康復訓練機器人步態(tài)機構運動分析及仿真[J]. 張曉超,張立勛,顏慶. 自動化技術與應用. 2005(03)
[9]腦卒中康復研究新進展[J]. 周維金,王玉琴,崔利華. 中國康復醫(yī)學雜志. 2002(02)
博士論文
[1]步行康復訓練助行腿機器人系統(tǒng)[D]. 馮治國.上海大學 2009
[2]基于柔性外骨骼人機智能系統(tǒng)基礎理論及應用技術研究[D]. 張佳帆.浙江大學 2009
碩士論文
[1]基于人體生理參數的下肢康復機器人設計與仿真分析[D]. 李力力.天津大學 2018
[2]下肢外骨骼行走康復機器人研究[D]. 饒玲軍.上海交通大學 2012
[3]老年人輔助站立座椅設計研究[D]. 王建光.浙江大學 2008
本文編號：2980827
本文鏈接：http://www.sikaile.net/kejilunwen/zidonghuakongzhilunwen/2980827.html
