【摘 要】
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脑卒中和交通事故患者人数逐年增多,由于医疗资源不足以及分配不均,术后肢体功能康复也成为一个亟待解决的问题。外骨骼机器人在重复性和稳定性方面具有先天的优势,十分适宜开发为助老助残设备,能够长时间、重复性地对患者进行准确的康复训练,完成训练的同时解决了传统康复治疗的一些弊端。同时云平台技术的不断发展,可以与康复设备相结合解除时间和地域的限制,实现医生与患者之间远程信息交流和康复训练。本文首先对人体下肢
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脑卒中和交通事故患者人数逐年增多,由于医疗资源不足以及分配不均,术后肢体功能康复也成为一个亟待解决的问题。外骨骼机器人在重复性和稳定性方面具有先天的优势,十分适宜开发为助老助残设备,能够长时间、重复性地对患者进行准确的康复训练,完成训练的同时解决了传统康复治疗的一些弊端。同时云平台技术的不断发展,可以与康复设备相结合解除时间和地域的限制,实现医生与患者之间远程信息交流和康复训练。本文首先对人体下肢生理学构造和关节运动自由度进行研究,考虑人机匹配之后设计出由电动轮椅、辅助起立结构和外骨骼腿组成的下肢外骨骼机器人,整个机器人系统均采用电机作为动力源,可以实现代步、辅助起立和康复训练等功能。利用Ansys对外骨骼机器人进行静力学分析,保证其结构强度符合设计要求,并采用拓扑优化方法对部分构件进行结构优化。建立下肢外骨骼机器人康复训练姿态下的运动学模型,通过关节角度变化来计算末端位姿,同时建立单腿支撑和双腿支撑状态下的动力学模型,计算出理论状态下的关节力矩。将外骨骼机器人样机模型导入到Adams软件中进行分析得出仿真状态下的关节力矩,将仿真数据和理论数据相比较验证步态设计的合理性,利用ZMP理论验证了行走过程中的稳定性。研究云互联系统中所有使用者的需求,根据需求设计云互联系统的功能,系统层次架构以应用层、服务器层和感知层组成。应用层使用B/S结构对前端进行设计,服务器层采用主流MVC框架SSM进行设计,数据通信协议为MQTT,并通过对实体类的分析得出云互联系统UML类图,确定数据库的结构,使用HTML语言和Webstorm软件编写主页、医生界面、患者界面和管理员界面。最后确定传感器系统所涉及的元件型号,设计以模糊PID算法为基础的融合模糊PID控制系统,建立下肢外骨骼机器人实体样机模型,搭建并调试控制系统以及云互联系统,对云互联系统的各项功能进行测试,系统各项功能运行正常。利用实体样机进行外骨骼机器人代步、辅助起立以及康复训练功能实验,各项实验结果均符合预期效果,在运动过程中实际关节角度与输入角度之间存在一定的误差,但仍在可接受的范围内,验证了控制系统和机械结构设计的合理性。
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