可穿戴下肢康復(fù)外骨骼機(jī)器人及其步態(tài)控制.pdf

1、可穿戴下肢康復(fù)外骨骼機(jī)器人是一種受仿生學(xué)啟發(fā)的人機(jī)一體化智能系統(tǒng)，旨在幫助下肢功能障礙的病患恢復(fù)運(yùn)動(dòng)功能。與傳統(tǒng)康復(fù)設(shè)備不同，它不限制于在醫(yī)院、康復(fù)中心等固定的室內(nèi)環(huán)境下使用，而是可以讓病人在戶外自由訓(xùn)練，甚至無需醫(yī)護(hù)人員在場，成為家庭使用的個(gè)人產(chǎn)品。本文研究的目的是開發(fā)一款適用于下肢截癱者使用的外骨骼機(jī)器人系統(tǒng)，主要內(nèi)容包括外骨骼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)以及步態(tài)控制算法等。
　　受仿生外骨骼啟發(fā)，本文設(shè)計(jì)了一款8自由度外骨骼機(jī)器人，包

2、括4個(gè)主動(dòng)自由度，2個(gè)被動(dòng)自由度和2個(gè)手動(dòng)限制自由度。主要結(jié)構(gòu)包括關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、背包、踝關(guān)節(jié)、控制拐杖以及綁帶等人機(jī)力交互結(jié)構(gòu)。其中關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)要求很高的功率-體積比，是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)，總結(jié)了現(xiàn)有關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)類型，并詳細(xì)探討了變異平面四桿機(jī)構(gòu)方案的可行性，最終確定了基于曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的關(guān)節(jié)構(gòu)型。在關(guān)節(jié)局部運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的基礎(chǔ)上，給出了一種可視化調(diào)參方法:以關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍及瞬時(shí)減速比為優(yōu)化目標(biāo)，通過試參法獲得四桿機(jī)構(gòu)桿長的優(yōu)選搭配，

3、使得關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)特性符合人體下肢關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和受力規(guī)律。最后還通過有限元仿真分析，確定了關(guān)節(jié)內(nèi)薄弱環(huán)節(jié)，進(jìn)而進(jìn)行局部加強(qiáng)。
　　機(jī)器人采用電池供電便于遠(yuǎn)距離行走，采用工控主機(jī)作為控制中心，并集成角度傳感器、姿態(tài)儀，壓力傳感器等，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的閉環(huán)控制。結(jié)合人類下意識(shí)的習(xí)慣，提出了一種簡單有效的行走控制邏輯，可降低誤操作的可能。上位機(jī)軟件目前主要做調(diào)試用，可視化的狀態(tài)顯示區(qū)方便調(diào)試人員隨時(shí)掌握機(jī)器人狀態(tài)。此外，還巧妙地運(yùn)用繼電器，獲得異

4、常斷電時(shí)的臨時(shí)保護(hù)機(jī)制。
　　在常用的7類下肢輔助控制策略基礎(chǔ)上，對(duì)截癱者適用的步態(tài)控制方法進(jìn)行了探討;又在健康人步態(tài)分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探討輔助截癱病人站立行走的可行性，歸納出截癱適用步態(tài)應(yīng)具備的特點(diǎn)。介紹了步態(tài)采集方法，并針對(duì)截癱行走的特點(diǎn)，提出一種步態(tài)修正方法，不僅能解決腳尖拖地的問題，還能快速生成不同坡度行走的步態(tài)。2名截癱志愿者參與了行走試驗(yàn)，驗(yàn)證了外骨骼機(jī)器人系統(tǒng)的可靠性，還驗(yàn)證了步態(tài)修正方法的有效性。
　　最后