多功能助行機器人機構(gòu)研究.pdf

1、我國除了肢體殘疾人中大部分需要使用輪椅代步外,部分老年人也依靠輪椅代步。這些殘疾人和老年人由于長期使用輪椅,極容易產(chǎn)生壓瘡、下肢骨質(zhì)疏松和肌肉萎縮等并發(fā)癥,嚴重的甚至能危及生命。目前在許多養(yǎng)老院、社區(qū)、醫(yī)院等單位建立了輔助殘障人和老年人進行康復(fù)訓(xùn)練的專用活動場所,但是,這些場所缺乏可以把人從其乘坐的輪椅上轉(zhuǎn)成站立姿態(tài)進行站立或者行走訓(xùn)練的設(shè)備。因此,急需既具有站立架功能,又能在坐姿、站姿和行走時對下肢進行被動訓(xùn)練的多功能康復(fù)裝置。助行康

2、復(fù)機器人的主要作用是為使用者提供智能的行走輔助,進而維持、甚至強化他們的行走能力,使他們能擺脫正常人的攙扶,安全獨立的行走,并不是作為一個代步工具,取代他們的行走功能。助行機器人相較于傳統(tǒng)的非智能助行設(shè)備來說,功能更為豐富,安全性、舒適性更高。所以,研制能夠協(xié)助老年人及殘疾人進行起坐康復(fù)訓(xùn)練、行走康復(fù)訓(xùn)練等多方面服務(wù)的機器人,對促進我國康復(fù)醫(yī)學(xué)的發(fā)展,具有重要意義。
　　論文是在國家高技術(shù)發(fā)展計劃(863計劃)重點項目:多功能助行

3、康復(fù)機器人(2008AA040203)的資助下,針對如何利用助行康復(fù)機器人,幫助無力自主行走的老年人以及具有下肢行走障礙的殘疾人進行起坐訓(xùn)練和助行訓(xùn)練的問題,在助行機器人機構(gòu)方案和驅(qū)動控制方案、助行機構(gòu)的運動規(guī)劃、起坐機構(gòu)分析、輔助行走過程人機系統(tǒng)動力學(xué)等方面進行了較深入的理論分析和實驗研究。
　　綜述了國內(nèi)外助行康復(fù)機器人及相關(guān)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀,對現(xiàn)有助行康復(fù)機器人的機構(gòu)、驅(qū)動方式、工作原理進行分析和對比的基礎(chǔ)上,依據(jù)康復(fù)醫(yī)學(xué)理論

4、,提出一種被動式助行機器人的結(jié)構(gòu)方案,闡述機構(gòu)的特點及其工作原理,設(shè)計機器人的驅(qū)動控制方案,并研制多功能助行康復(fù)機器人樣機。
　　根據(jù)實驗測得的人體行走步態(tài)信息及助行訓(xùn)練要求,對助行機構(gòu)進行參數(shù)優(yōu)化。利用D-H法對助行機構(gòu)進行正、逆運動學(xué)分析,建立相應(yīng)的運動學(xué)模型。通過機構(gòu)仿真工具包SimMechanics中的仿真模塊建立助行機構(gòu)的運動學(xué)仿真模型,驗證助行機構(gòu)運動學(xué)分析的正確性,得到助行機構(gòu)的工作空間。并對雙側(cè)助行機構(gòu)進行協(xié)調(diào)運動

5、規(guī)劃和仿真分析。
　　采用D-H法對人體站立過程進行運動學(xué)分析,得到站立過程臀部的運動軌跡。建立基于SimMechanics的起坐機構(gòu)運動學(xué)及動力學(xué)仿真模型,分析不同使用情況下彈簧對起坐機構(gòu)驅(qū)動力矩的影響。仿真結(jié)果證明起坐機構(gòu)末端運動規(guī)律和正常人站起過程臀部的運動規(guī)律基本相符,可以用來模擬正常人的站起運動過程。
　　為研究人體下肢和助行機構(gòu)的力學(xué)特性,分別建立人體下肢和助行機構(gòu)的力學(xué)模型,采用虛功原理求解廣義力,并利用拉格朗

6、日方法建立人體下肢和助行機構(gòu)的動力學(xué)方程。利用聯(lián)合約束法建立人機系統(tǒng)動力學(xué)模型,分析不同人體重量、不同步幅、不同步態(tài)周期使用情況下對系統(tǒng)驅(qū)動性能的影響,為助行機構(gòu)驅(qū)動電機的選擇及控制策略的研究提供理論依據(jù)。
　　研制了多功能助行康復(fù)機器人實驗樣機,介紹機器人的研制過程及實際應(yīng)用情況。利用dSPACE平臺進行相關(guān)的實驗研究,包括電機性能檢測、起坐機構(gòu)和助行機構(gòu)實驗。實驗研究證明在多功能助行機器人的協(xié)助下,能夠?qū)崿F(xiàn)輔助起坐、輔助行走等