多功能助行機(jī)器人機(jī)構(gòu)研究.pdf

1、我國(guó)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(zhǎng)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(yán)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(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練的專用活動(dòng)場(chǎng)所,但是,這些場(chǎng)所缺乏可以把人從其乘坐的輪椅上轉(zhuǎn)成站立姿態(tài)進(jìn)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(shí)對(duì)下肢進(jìn)行被動(dòng)訓(xùn)練的多功能康復(fù)裝置。助行康

2、復(fù)機(jī)器人的主要作用是為使用者提供智能的行走輔助,進(jìn)而維持、甚至強(qiáng)化他們的行走能力,使他們能擺脫正常人的攙扶,安全獨(dú)立的行走,并不是作為一個(gè)代步工具,取代他們的行走功能。助行機(jī)器人相較于傳統(tǒng)的非智能助行設(shè)備來(lái)說(shuō),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(jìn)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(jī)器人,對(duì)促進(jìn)我國(guó)康復(fù)醫(yī)學(xué)的發(fā)展,具有重要意義。
　　論文是在國(guó)家高技術(shù)發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)重點(diǎn)項(xiàng)目:多功能助行

3、康復(fù)機(jī)器人(2008AA040203)的資助下,針對(duì)如何利用助行康復(fù)機(jī)器人,幫助無(wú)力自主行走的老年人以及具有下肢行走障礙的殘疾人進(jìn)行起坐訓(xùn)練和助行訓(xùn)練的問(wèn)題,在助行機(jī)器人機(jī)構(gòu)方案和驅(qū)動(dòng)控制方案、助行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、起坐機(jī)構(gòu)分析、輔助行走過(guò)程人機(jī)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)等方面進(jìn)行了較深入的理論分析和實(shí)驗(yàn)研究。
　　綜述了國(guó)內(nèi)外助行康復(fù)機(jī)器人及相關(guān)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀,對(duì)現(xiàn)有助行康復(fù)機(jī)器人的機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)方式、工作原理進(jìn)行分析和對(duì)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(dòng)式助行機(jī)器人的結(jié)構(gòu)方案,闡述機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)及其工作原理,設(shè)計(jì)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)控制方案,并研制多功能助行康復(fù)機(jī)器人樣機(jī)。
　　根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的人體行走步態(tài)信息及助行訓(xùn)練要求,對(duì)助行機(jī)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。利用D-H法對(duì)助行機(jī)構(gòu)進(jìn)行正、逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析,建立相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。通過(guò)機(jī)構(gòu)仿真工具包SimMechanics中的仿真模塊建立助行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真模型,驗(yàn)證助行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的正確性,得到助行機(jī)構(gòu)的工作空間。并對(duì)雙側(cè)助行機(jī)構(gòu)進(jìn)行協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)

5、規(guī)劃和仿真分析。
　　采用D-H法對(duì)人體站立過(guò)程進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析,得到站立過(guò)程臀部的運(yùn)動(dòng)軌跡。建立基于SimMechanics的起坐機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)仿真模型,分析不同使用情況下彈簧對(duì)起坐機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)力矩的影響。仿真結(jié)果證明起坐機(jī)構(gòu)末端運(yùn)動(dòng)規(guī)律和正常人站起過(guò)程臀部的運(yùn)動(dòng)規(guī)律基本相符,可以用來(lái)模擬正常人的站起運(yùn)動(dòng)過(guò)程。
　　為研究人體下肢和助行機(jī)構(gòu)的力學(xué)特性,分別建立人體下肢和助行機(jī)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(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)方程。利用聯(lián)合約束法建立人機(jī)系統(tǒng)動(dòng)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(duì)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)性能的影響,為助行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電機(jī)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(jī)器人實(shí)驗(yàn)樣機(jī),介紹機(jī)器人的研制過(guò)程及實(shí)際應(yīng)用情況。利用dSPACE平臺(tái)進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究,包括電機(jī)性能檢測(cè)、起坐機(jī)構(gòu)和助行機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)研究證明在多功能助行機(jī)器人的協(xié)助下,能夠?qū)崿F(xiàn)輔助起坐、輔助行走等