兩種步態(tài)模式的康復(fù)機(jī)器人設(shè)計(jì)及仿真.pdf

1、隨著我國(guó)人口的不斷增加以及老齡化問(wèn)題的加重，國(guó)內(nèi)下肢運(yùn)動(dòng)功能障礙患者的數(shù)量也在逐年上升。其中有一部分患者能夠通過(guò)后來(lái)的康復(fù)訓(xùn)練逐漸康復(fù)，康復(fù)醫(yī)療器械勢(shì)必會(huì)在康復(fù)階段發(fā)揮重大的作用，因此康復(fù)工程受到了越來(lái)越多的重視，康復(fù)機(jī)器人是近年出現(xiàn)的一種應(yīng)用于康復(fù)訓(xùn)練的新型機(jī)器人，設(shè)計(jì)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的意圖是幫助康復(fù)訓(xùn)練者完成各種運(yùn)動(dòng)以達(dá)到康復(fù)的目的。
　　本課題設(shè)計(jì)的下肢康復(fù)機(jī)器人由減重支撐系統(tǒng)和步態(tài)機(jī)構(gòu)組成，考慮到正常生活中患者的主要行動(dòng)包括

2、行走和上樓，因此步態(tài)機(jī)構(gòu)包括行走步態(tài)機(jī)構(gòu)和臺(tái)階步態(tài)機(jī)構(gòu)。本下肢康復(fù)機(jī)器人一方面通過(guò)多種減重模式的減重系統(tǒng)，使其能夠滿足不同康復(fù)階段的康復(fù)訓(xùn)練需求，另一方面通過(guò)模擬正常人行走和上臺(tái)階的步態(tài)軌跡，實(shí)現(xiàn)兩種步態(tài)模式的康復(fù)訓(xùn)練。本文在已有研究工作的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步作了以下工作：
　?。?）下肢康復(fù)機(jī)器人的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
　　主要介紹了下肢康復(fù)機(jī)器人的國(guó)內(nèi)外最新的研究進(jìn)展。查閱與之相關(guān)的參考資料，了解下肢康復(fù)機(jī)器人在康復(fù)訓(xùn)練過(guò)程中發(fā)揮的

3、作用以及有關(guān)下肢康復(fù)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
　?。?）正常行走步態(tài)和臺(tái)階步態(tài)軌跡的獲取與分析
　　本文中的行走步態(tài)依靠查閱參考文獻(xiàn)獲得，然后對(duì)上臺(tái)階的步態(tài)軌跡進(jìn)行獲取，首先利用普通相機(jī)對(duì)被測(cè)者上臺(tái)階過(guò)程進(jìn)行攝像，按幀截取錄像獲得照片，然后在Matlab環(huán)境下對(duì)原始照片進(jìn)行灰度、濾波等處理，獲得標(biāo)記點(diǎn)的坐標(biāo)，在Matlab中將得到的坐標(biāo)點(diǎn)繪制出上臺(tái)階過(guò)程中的步態(tài)軌跡曲線。
　　（3）下肢康復(fù)機(jī)器人的整體設(shè)計(jì)
　　本課題

4、的下肢康復(fù)機(jī)器人由減重支撐系統(tǒng)、行走步態(tài)機(jī)構(gòu)和臺(tái)階步態(tài)機(jī)構(gòu)組成。減重支撐系統(tǒng)，由電動(dòng)推桿提供動(dòng)力，減重支撐系統(tǒng)施加的減重拉力作用于康復(fù)訓(xùn)練者的兩肩，避免了單點(diǎn)受力時(shí)沿垂直方向的旋轉(zhuǎn)的可能性，同時(shí)在結(jié)構(gòu)中加入了拉力傳感器，能夠?qū)崿F(xiàn)30％、15%和臨時(shí)保護(hù)三種減重模式，能夠滿足不同康復(fù)階段的使用要求。行走步態(tài)機(jī)構(gòu)和臺(tái)階步態(tài)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，根據(jù)之前得到的行走步態(tài)軌跡曲線和臺(tái)階步態(tài)軌跡曲線，在連桿圖譜中獲得相似的軌跡，確定步態(tài)機(jī)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)，并對(duì)步

5、態(tài)機(jī)構(gòu)中所使用的伺服電機(jī)進(jìn)行選型，最終在Pro/e環(huán)境中完成踏板式減重下肢康復(fù)機(jī)器人的三維模型。
　?。?）基于Adams的行走步態(tài)機(jī)構(gòu)和臺(tái)階步態(tài)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真
　　為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的康復(fù)機(jī)器人的行走步態(tài)機(jī)構(gòu)和臺(tái)階步態(tài)機(jī)構(gòu)是否符合前面分析得到的行走步態(tài)軌跡曲線和臺(tái)階步態(tài)軌跡曲線，本文對(duì)行走步態(tài)機(jī)構(gòu)和臺(tái)階步態(tài)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，首先建立連桿的位移矢量方程，然后經(jīng)過(guò)分階求導(dǎo)得到步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練時(shí)腳踏板末端的速度、加速度、軌跡和腳踏板

6、與水平面的夾角、角加速度的數(shù)學(xué)模型。然后在Pro/e環(huán)境中繪制簡(jiǎn)化的步態(tài)機(jī)構(gòu)，通過(guò)Adams對(duì)步態(tài)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，通過(guò)對(duì)得到的腳踏板末端速度、加速度、軌跡和腳踏板與水平面夾角、角加速度曲線的分析，可以驗(yàn)證步態(tài)機(jī)構(gòu)的合理性。
　?。?）基于Ansys Workbench的主要受力零部件的有限元仿真分析
　　為了保證肢康復(fù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性，對(duì)結(jié)構(gòu)中主要受力的零部件進(jìn)行了靜力學(xué)分析和模態(tài)分析，通過(guò)靜力學(xué)分析，對(duì)應(yīng)力和