简洁型下肢康复机器人本体设计及稳定性分析

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中国正步入老龄化社会,由于疾病或人体机能衰退而导致患有下肢运动功能障碍的老年人越来越多。脑卒中是老年人中发病率较高的疾病之一,病人患脑卒中后,通过及时的手术可以提高恢复效果,但大部分病人未得到有效的治疗,导致我国偏瘫病人数呈增长趋势。传统的康复手段需要康复医师一对一进行康复训练或借助固定式康复设备治疗,然而康复医师的人数和偏瘫病人数之间的不平衡日渐突出,不能确保足够的人力和物力对老年人或者偏瘫病人服务。为缓解康复医疗资源的巨大缺口,解决康复医师、医疗资源和病人之间的矛盾,引入便捷式康复设备辅助病人下肢康复训练显得尤为紧迫。医学研究表明神经具有可塑性,对受损伤的肢体部位进行重复性训练,可使肢体神经和大脑神经重塑,恢复肢体的运动功能。通过心理学和运动再学习理论,激发病人的运动欲望,病人主动参与到康复训练过程可以更好促进神经细胞重塑。考虑到疫情期间外出的复杂性,本课题面向下肢康复后期病人研制了一种简洁型康复训练机器人,本文分析了康复机器人的结构设计和控制系统部分,着重研究康复机器人的静动态稳定性问题。主要内容包括:(1)对国内外现有康复机器人研究现状和特点进行分析对比,从人体工程学的角度出发设计一种家用康复机器人,结合病人的运动特性,设计控制系统、安全监测系统和驱动系统。(2)基于病人的步态空间分布,提出了一种多传感器信息融合的模型来判断病人的运动姿态,构建了一种人机交互感知系统,该系统包括信号转换模块、拉力传感器和位移传感器。通过与原位置的对比,实时分析病人的运动意图,实现机器人与病人之间的协同运动。(3)为保障偏瘫病人的安全,防止病人受到二次伤害,分析康复机器人在直线行驶和转弯过程中的性能,分别从静态和动态两个角度论证了康复机器人在使用过程中的稳定性问题。(4)通过仿真软件和样机实验结合的方式对康复机器人进行分析,验证了该康复机器人技术的可行性,为后续康复机器人的研究奠定基础。本文通过分析病人的运动特性来进行结构设计,使用CAN总线将人机交互系统与康复机器人控制动力系统结合起来,采用模块化的设计方法使康复机器人的开发更加灵活方便,通过实验和试用,验证了康复训练效果。
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