面向偏瘫康复的下肢外骨骼机器人步态规划研究和实现

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随着中国社会进入老龄化阶段,为了缓解肢体残疾人群数不断增加引发的康复专业人才供需矛盾,市场上出现了很多下肢外骨骼研究机构和相应产品。但是目前出现的各种下肢外骨骼产品没有一款能帮助偏瘫患者发挥出健侧下肢的自主运动功能,这会造成偏瘫患者健侧下肢自主运动功能逐渐变差。同时现有的下肢外骨骼设备采取固定运动曲线的被动运动模式,不具有普适性,不能符合当前穿戴患者的行走习惯。如何解决上述问题,充分发挥偏瘫患者健侧下肢运动功能,成为步态规划中亟需解决的问题。本论文的步态规划设计需要在Rehab偏瘫康复下肢外骨骼系统中进行实现,由于系统中有不同的运动模式,本文设计添加了相应的步态规划模块在主控制逻辑中,设计数据采样电路并移植通信程序,以完成对迈步最优问题的研究并保证实现步态规划。该款外骨骼系统可以帮助偏瘫患者实现脱离医师的辅助训练,由机械结构、驱动模块与执行机构、传感系统、人机交互界面、主控制模块和通信系统这五个子系统构成。针对偏瘫患者行走初期迈步的特点,考虑到偏瘫患者区分健侧下肢和患侧下肢的特殊情况,对穿戴单腿驱动外骨骼行走过程中从身体直立到开始行走的迈步过程提出两种不同的方案,如何迈步能使得外骨骼机器配合穿戴者效果最优,也成为需要研究的问题。穿戴外骨骼迈步过程中健侧和患侧哪一侧先行有两种不同的迈步策略,由于采用不同迈步策略时影响外骨骼性能和穿戴者自身的因素较多,选取了模糊综合评价方法来对不同迈步策略进行评价,并通过实验将各项影响因素量化,从而直观的评价出不同迈步策略的优劣。针对目前已有的下肢外骨骼无法充分发挥偏瘫患者健侧下肢功能的以及步态曲线单一,不能符合当前穿戴者行走习惯的问题,充分考虑患者健侧的运动特点,提出了能够充分发挥健侧腿能动性,适配当前患者行走习惯的镜像步态规划方法。通过采集患者健侧下肢的步态曲线,利用样条插值的方法,对采集到的曲线进行复现,将其本人健侧的行走步态还原到患侧。通过仿真验证了样条插值对曲线捕捉和还原的能力,并且在系统上对目前使用的镜像步态生成方法进行了实验验证,达到了预期要求。
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