兩種步態(tài)模式的康復機器人設計及仿真.pdf

1、隨著我國人口的不斷增加以及老齡化問題的加重，國內下肢運動功能障礙患者的數(shù)量也在逐年上升。其中有一部分患者能夠通過后來的康復訓練逐漸康復，康復醫(yī)療器械勢必會在康復階段發(fā)揮重大的作用，因此康復工程受到了越來越多的重視，康復機器人是近年出現(xiàn)的一種應用于康復訓練的新型機器人，設計康復訓練機器人的意圖是幫助康復訓練者完成各種運動以達到康復的目的。
　　本課題設計的下肢康復機器人由減重支撐系統(tǒng)和步態(tài)機構組成，考慮到正常生活中患者的主要行動包括

2、行走和上樓，因此步態(tài)機構包括行走步態(tài)機構和臺階步態(tài)機構。本下肢康復機器人一方面通過多種減重模式的減重系統(tǒng)，使其能夠滿足不同康復階段的康復訓練需求，另一方面通過模擬正常人行走和上臺階的步態(tài)軌跡，實現(xiàn)兩種步態(tài)模式的康復訓練。本文在已有研究工作的基礎上,進一步作了以下工作：
　?。?）下肢康復機器人的國內外研究現(xiàn)狀
　　主要介紹了下肢康復機器人的國內外最新的研究進展。查閱與之相關的參考資料，了解下肢康復機器人在康復訓練過程中發(fā)揮的

3、作用以及有關下肢康復機器人的結構設計。
　?。?）正常行走步態(tài)和臺階步態(tài)軌跡的獲取與分析
　　本文中的行走步態(tài)依靠查閱參考文獻獲得，然后對上臺階的步態(tài)軌跡進行獲取，首先利用普通相機對被測者上臺階過程進行攝像，按幀截取錄像獲得照片，然后在Matlab環(huán)境下對原始照片進行灰度、濾波等處理，獲得標記點的坐標，在Matlab中將得到的坐標點繪制出上臺階過程中的步態(tài)軌跡曲線。
　?。?）下肢康復機器人的整體設計
　　本課題

4、的下肢康復機器人由減重支撐系統(tǒng)、行走步態(tài)機構和臺階步態(tài)機構組成。減重支撐系統(tǒng)，由電動推桿提供動力，減重支撐系統(tǒng)施加的減重拉力作用于康復訓練者的兩肩，避免了單點受力時沿垂直方向的旋轉的可能性，同時在結構中加入了拉力傳感器，能夠實現(xiàn)30％、15%和臨時保護三種減重模式，能夠滿足不同康復階段的使用要求。行走步態(tài)機構和臺階步態(tài)機構的設計，根據(jù)之前得到的行走步態(tài)軌跡曲線和臺階步態(tài)軌跡曲線，在連桿圖譜中獲得相似的軌跡，確定步態(tài)機構的基本結構，并對步

5、態(tài)機構中所使用的伺服電機進行選型，最終在Pro/e環(huán)境中完成踏板式減重下肢康復機器人的三維模型。
　　（4）基于Adams的行走步態(tài)機構和臺階步態(tài)機構的運動學仿真
　　為了驗證設計的康復機器人的行走步態(tài)機構和臺階步態(tài)機構是否符合前面分析得到的行走步態(tài)軌跡曲線和臺階步態(tài)軌跡曲線，本文對行走步態(tài)機構和臺階步態(tài)機構進行了運動學仿真，首先建立連桿的位移矢量方程，然后經(jīng)過分階求導得到步態(tài)康復訓練時腳踏板末端的速度、加速度、軌跡和腳踏板

6、與水平面的夾角、角加速度的數(shù)學模型。然后在Pro/e環(huán)境中繪制簡化的步態(tài)機構，通過Adams對步態(tài)機構進行運動學分析，通過對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，可以驗證步態(tài)機構的合理性。
　?。?）基于Ansys Workbench的主要受力零部件的有限元仿真分析
　　為了保證肢康復機器人結構的安全性和穩(wěn)定性，對結構中主要受力的零部件進行了靜力學分析和模態(tài)分析，通過靜力學分析，對應力和