踏板式步行訓(xùn)練機(jī)器人研究.pdf

1、近年來，由于人口老齡化日益嚴(yán)重、以及腦卒中等導(dǎo)致的偏癱患者數(shù)量不斷增多，治療師資源卻大量匱乏，利用減重支撐系統(tǒng)配合實(shí)現(xiàn)步態(tài)訓(xùn)練的減重步行訓(xùn)練機(jī)器人得到了廣泛關(guān)注。步行訓(xùn)練家庭化、訓(xùn)練模式多樣化是目前步行訓(xùn)練機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的新趨勢。因此，改良、開發(fā)結(jié)構(gòu)精巧、功能齊全、價(jià)格低廉的家庭化、社區(qū)化的步行康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人具有廣闊的應(yīng)用前景，對促進(jìn)我國康復(fù)事業(yè)的發(fā)展、提升我國康復(fù)醫(yī)療水平、提高偏癱患者和老年人的生活質(zhì)量具有積極而重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2、>　　本文針對如何利用踏板式步行訓(xùn)練機(jī)器人，幫助偏癱患者和體弱老年人提供符合自然行走步態(tài)的減重步態(tài)訓(xùn)練的問題，在踏板式步行訓(xùn)練機(jī)器人的機(jī)構(gòu)和控制方案、機(jī)構(gòu)尺度綜合、步態(tài)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、人機(jī)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析等方面進(jìn)行了較深入的理論分析和實(shí)驗(yàn)研究。
　　綜述國內(nèi)外步行訓(xùn)練機(jī)器人及相關(guān)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀，在對現(xiàn)有步行訓(xùn)練機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)形式、工作原理及訓(xùn)練模式進(jìn)行對比分析的基礎(chǔ)上，依據(jù)人體步行運(yùn)動(dòng)特征和偏癱臨床康復(fù)原則，提出一種考慮踝關(guān)節(jié)和跖

3、趾關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)及主動(dòng)減重控制的足底驅(qū)動(dòng)踏板式步行訓(xùn)練機(jī)器人的機(jī)構(gòu)方案。闡述機(jī)器人的機(jī)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理，根據(jù)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及使用要求確定機(jī)器人的總體控制方案;并根據(jù)不同康復(fù)時(shí)期、不同患病程度的患者提出被動(dòng)訓(xùn)練控制策略和助力訓(xùn)練控制策略。
　　根據(jù)步態(tài)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，結(jié)合其本身特點(diǎn)，依據(jù)正常步行時(shí)的步態(tài)和下肢轉(zhuǎn)角運(yùn)動(dòng)規(guī)律對步態(tài)機(jī)構(gòu)、踝關(guān)節(jié)姿態(tài)約束機(jī)構(gòu)、跖趾關(guān)節(jié)姿態(tài)約束機(jī)構(gòu)和膝關(guān)節(jié)輔助屈膝機(jī)構(gòu)進(jìn)行尺度綜合，確定機(jī)構(gòu)各連桿的尺寸參數(shù)及直線、

4、曲線約束機(jī)構(gòu)的軌跡;利用Matlab工具箱建立機(jī)構(gòu)的仿真模型，仿真分析驗(yàn)證機(jī)構(gòu)尺度綜合的合理性和機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性。
　　根據(jù)正常平地步行時(shí)的時(shí)相分布關(guān)系及步態(tài)機(jī)構(gòu)本身特點(diǎn)，提出一種適用于步行訓(xùn)練機(jī)器人的步態(tài)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃模型，實(shí)現(xiàn)對步行訓(xùn)練時(shí)雙腿步態(tài)時(shí)相分布的合理控制;以實(shí)驗(yàn)得到的人體重心運(yùn)動(dòng)軌跡測量模型為減重步態(tài)訓(xùn)練重心的預(yù)定跟蹤軌跡，提出一種基于重心控制的減重訓(xùn)練步態(tài)規(guī)劃方法，實(shí)時(shí)調(diào)整、跟蹤重心的運(yùn)動(dòng)軌跡，保證患者的身體重心與下肢步

5、態(tài)的協(xié)調(diào)控制;根據(jù)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出單腿擺動(dòng)訓(xùn)練和雙腿擺動(dòng)訓(xùn)練等特殊步態(tài)訓(xùn)練的規(guī)劃方法，幫助患者早期康復(fù)訓(xùn)練時(shí)患側(cè)肢體的強(qiáng)化訓(xùn)練;仿真分析驗(yàn)證步態(tài)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法的可行性和有效性。
　　為了研究人體下肢和步態(tài)機(jī)構(gòu)的力學(xué)特性，分別建立人體下肢和步態(tài)機(jī)構(gòu)的力學(xué)模型，采用虛功原理求解人體下肢和步態(tài)機(jī)構(gòu)的廣義力，并利用拉格朗日法建立人體下肢和步態(tài)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)方程;采用牛頓-歐拉法建立人機(jī)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，以步態(tài)機(jī)構(gòu)帶載動(dòng)力學(xué)模型為被控對象，

6、分析不同減重力、不同步速情況下的步態(tài)訓(xùn)練對系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)性能的影響，驗(yàn)證動(dòng)力學(xué)理論分析的正確性，為步態(tài)機(jī)構(gòu)的系統(tǒng)優(yōu)化、驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選型以及人機(jī)系統(tǒng)控制方法研究提供理論依據(jù)。
　　最后，研制踏板式步行訓(xùn)練機(jī)器人實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，利用Quanser半物理仿真實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行機(jī)器人樣機(jī)性能實(shí)驗(yàn)、步態(tài)訓(xùn)練運(yùn)動(dòng)規(guī)劃模型驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)以及機(jī)器人載人步行訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)研究。通過實(shí)驗(yàn)研究驗(yàn)證機(jī)器人機(jī)構(gòu)方案的合理性和運(yùn)動(dòng)規(guī)劃及控制策略的可行性，證明機(jī)器人可以輔助偏癱患者及體弱老年