下肢康复机器人机构的构型综合及特性分析

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下肢康复机器人机构是一种新型康复医疗设备,通过穿戴在人体下肢上,帮助偏瘫或者是下肢运动有障碍的患者恢复下肢的运动功能,具有训练精度高、可实时监控等特点,对提升我国的医疗水平、提高患者的生活质量、减轻社会负担都具有重要的意义,已经受到国内外学者的广泛关注。通过分析下肢康复机器人机构的结构设计对安全性与舒适性的影响,从人-机相容性的角度对机器人机构进行了构型综合,并对机器人机构的特性进行了分析,具有一定的实际意义。  本文分析了国内外下肢康复机器人的发展现状,指出了现有康复机器人所存在的人-机干涉现象,并以此为基础开展了相关研究:  首先,对现有紧致连接模式下人-机局部闭链的自由度进行了分析,并对机器人机构进行了构型综合。在构型综合过程中,得到了所有能够满足人-机相容性的机器人构型及机构中运动副的约束条件,并通过构型优选得到了一种各项性能较好的机器人机构。  其次,对人-机闭链进行了运动学分析,求解出无穿戴偏差情况下,当人体下肢主动运动时机器人机构髋膝运动关节及连接关节的运动规律,并分析了无穿戴偏差时穿戴参数对人-机协同性及干涉现象的影响,为机器人的正确穿戴提供了参考。  第三,对人-机约束力进行了分析,分析了机器人机构对人体下肢在连接位置处不同方向的约束力对安全性和舒适性的影响,并运用旋量理论求解出现有人-机连接模式下人体下肢所受到约束力的变化规律。  最后,运用拉格朗日动力学方法对人-机局部闭链进行了动力学分析,得到了机器人机构关节驱动力矩的变化规律,为机器机构的控制、结构设计与驱动器选型提供了基础。
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