下肢康复训练机器人结构与系统设计

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卒中是一种具有高致残率的血管疾病。据调查,因卒中致残患者每年新增200多万,由于许多患者得不到及时的治疗和康复训练,从而造成了严重的下肢运动性功能障碍的问题,给家庭和社会带来了巨大的经济压力和负担。现代康复医学研究已经证实了:通过对卒中患者进行下肢减重康复训练并结合相关康复技术,患者可实现重塑正常步态的目标。传统的人工康复技术是改善下肢功能性障碍的常规手段之一,但这种方式依赖专业医师的手法和经验而且医师体力负担大、人工成本高。同时,由于我国缺乏康复专业人员,因此智能下肢运动康复辅助设备的研发和应用备受关注。为了实现卒中患者在康复阶段提前步入行走训练目标,以及解决其自主行走能力、运动再学习能力和平衡能力得到及时的训练的问题。本文针对社会的需要以及患者的康复需求,设计一种能够辅助患者进行自主运动康复的下肢康复训练机器人。通过对患者的康复需求和市场调研结果分析,确定机器人的机械结构设计方案,并通过康复需求制定控制系统设计,最后通过样机的研制和实验验证需求目标。首先,针对中风患者在康复中后期下肢行走训练的康复需求,并且结合对康复机器人(以下简称机器人)的工作环境和人机工程学分析,提出了机器人的设计原则与要求,然后确定机器人的结构设计方案和功能需求,并根据设计方案实现对机器人结构的模块化分类设计,最终完成移动康复机器人本体的结构设计。由于机器人需要承载中风患者的体重,相应部件需要在负载情况下工作,因此,为保证机器人的安全可靠性满足使用要求,使用ANSYS workbench软件对关键部件进行了静力学分析,保证机器人在使用过程中本体结构设计的可靠性。其次,针对康复机器人“2驱动轮+4从动轮”移动底盘方案,对移动平台进行运动学建模,获得了移动底盘的运动规律和运动学特性;并基于该运动学模型对机器人进行直行和转向运动轨迹仿真,且运动过程中平均误差在可控范围之内,从而验证转向和直行方案的有效性。然后,通过分析人体运动过程肩部姿态的特征变化,选型并设计了符合此运动特点的多传感器数据采集系统,建立机器人运动控制系统,包含硬件选型和工作原理分析,并在此基础上设计了机器人软件架构。最后,完成了机器人实验样机的搭建,通过邀请不同测试者对机器人进行控制功能实验,通过分析位移和拉力等数据验证康复机器人的控制功能,实验结果表明,满足移动和减重功能的设想以及验证了控制方案的可行性。能有效减轻康复医师劳动力和缓解康复医师短缺的社会问题。
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